ΧΥΤΗΡΙΑ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΑΒΕΕ

Transcript

1 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Τσιπά Kαθηγητή του Tμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών της Π.Σ.Α.Π.Θ για την ανάθεση του θέματος της διπλωματικής εργασίας, καθώς και τον κ. Γεώργιο Τριανταφυλλίδη Λέκτορα του Tμήματος Χημικών Μηχανικών της Π.Σ.Α.Π.Θ για την βοήθειά του στην ολοκλήρωσή της. Ευχαριστώ το προσωπικό του Εργαστηρίου Τεχνολογίας Υλικών του τμήματος Χημικών Μηχανικών της Π.Σ.Α.Π.Θ και την εταιρία ΧΥΤΗΡΙΑ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΑΒΕΕ για την συνεργασία και βοήθειά της στην εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. Επίσης τον κ. Ανδρέα Δελημήτη του ΕΚΕΤΑ/ΙΤΧΗΔ που συνέβαλλε στην ολοκλήρωση της εργασίας με τις μετρήσεις SEM και TEM. 1

2 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή Σκοπός της διπλωματικής εργασίας Χυτοσίδηροι Ελατός χυτοσίδηρος (ductile cast iron) Iστορία της εφεύρεσης του ελατού χυτοσιδήρου Κατηγορίες χυτοσιδήρων και μικροδομές τους Κοινός φυλλοειδής χυτοσίδηρος (gray cast iron) Λευκός χυτοσίδηρος (white cast iron) Ελατός χυτοσίδηρος (ductile cast iron) Μαλακτός χυτοσίδηρος (malleable cast iron) Παραγωγή Χύτευση στερεοποίηση του ελατού χυτοσιδήρου Στερεοποίηση υποευτηκτικών συστάσεων Στερεοποίηση υπερευτηκτικών συστάσεων Πυρηνοποίηση του γραφίτη στον ελατό χυτοσίδηρο Σφαιροποίηση (NODULARIZATION) Εμβολιασμός (IΝNOCULATION) Κραματοποιά στοιχεία Ισχυροποίηση με το μηχανισμό στερεού διαλύματος αντικατάστασης (ΣΔΑ Solution Strengthening) Μηχανικές ιδιότητες Γενικά Φερριτικοί περλιτικοί ελατοί χυτοσίδηροι Ωστενιτικοί και κραματωμένοι ελατοί χυτοσίδηροι Σκοπός της Εργασίας - Πειραματικές μετρήσεις Περιγραφή του σχεδίου των δοκιμών Εργασίες Δοκιμή εφελκυσμού Σκληρομέτρηση Rockwell B- Micro vickers Φασματοσκοπική χημική ανάλυση Μεταλλογραφικός έλεγχος Mετρήσεις SEM Μετρήσεις TEM

3 5. Σχολιασμός δοκιμών Ανάλυση μελέτης Τελικά συμπεράσματα Παράρτημα Βιβλιογραφικές αναφορές

4 1. Εισαγωγή 1.1 Σκοπός της διπλωματικής εργασίας Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη του ελατού χυτοσίδηρου υψηλής περιεκτικότητας πυριτίου, καθώς και η σύγκριση των μηχανικών του ιδιοτήτων με την κλασική τυποποιημένη ποιότητα ISO/EN-GJS Ο χυτοσίδηρος αυτός που στο άμεσο μέλλον θα τυποποιηθεί, αφού πρώτα μελετηθεί εκτενώς διεθνώς από ειδικές τεχνικές επιτροπές, παρουσιάζει ιδιαίτερο τεχνικό ενδιαφέρον, διότι με την προσθήκη αυξημένου πυριτίου (~3.5-4%) αυξάνεται η αντοχή του (λόγω στερεάς διαλυτότητας του Si), αλλά και η ολκιμότητα του σε επίπεδα > 10%. Παρουσιάζεται δηλαδή, μια ποιότητα ελατού ανώτερη της κλασικής ΕΝ-GJS500-7 σε μηχανικές ιδιότητες που δίνει πολύ περισσότερες κατασκευαστικές δυνατότητες σε σχεδιαστές μηχανικούς και καλύπτει τις μηχανικές ιδιότητες της ΕNGJS και σχεδόν της EN-GJS

5 2. Χυτοσίδηροι Ελατός χυτοσίδηρος (ductile cast iron) 2.1 Ιστορία της εφεύρεσης του ελατού χυτοσιδήρου Στις 7 Μαϊου 1948 στο συνέδριο του συνδέσμου χυτηρίων Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής στη Φιλαδέλφεια έγινε για πρώτη φορά παρουσίαση της μελέτης του άγγλου Henton Morrogh, όπου ανέφερε ότι πέτυχε σφαιροποίηση του γραφίτη στο χυτοσίδηρο με Cerium πετυχαίνοντας παράλληλα εντυπωσιακές μηχανικές ιδιότητες. Αμέσως μετά δημοσίευσε την έρευνά του ο Αμερικάνος Keith Millis της εταιρίας INCO, όπου ανέφερε ότι ήδη αυτός και η ομάδα του από το 1952 είχαν πετύχει το ίδιο αποτέλεσμα με την χρήση μαγνησίου. Έτσι αυτοί οι δυο επιστήμονες θεωρούνται οι πατέρες του ελατού χυτοσιδήρου. Προς τιμή του Keith Millis γίνεται στις ΗΠΑ τακτικό συνέδριο σχετικό με τον ελατό χυτοσίδηρο και την έρευνα γύρω από αυτόν. 2.2 Κατηγοριοποίηση χυτοσιδήρων και μικροδομές τους Ο χυτοσίδηρος, όπως και ο χάλυβας ανήκουν σε μία μεγάλη οικογένεια σιδηρούχων κραμάτων με έντονα διαφοροποιημένες ιδιότητες [1,2]. Η βασική διαφοροποίησή τους (ως προς το χημισμό) είναι η περιεκτικότητα σε άνθρακα. Οι περισσότεροι χάλυβες περιέχουν άνθρακα σε ποσοστό μικρότερο του 1,5%, ενώ οι χυτοσίδηροι μεγαλύτερο του 2% και μέχρι περίπου 3,5 %. Επιπλέον οι χυτοσίδηροι περιέχουν και πυρίτιο σε ποσοστό από 1 μέχρι 3%. Eίναι σύνθετα σιδηρούχα κράματα, τα οποία στερεοποιούνται ακολουθώντας την ευτηκτική περιοχή του διάγραμματος φάσεων (ΔΙΦ) σιδήρου-άνθρακα (Σχήμα 1). Ο χυτοσίδηρος παρουσιάζει φάση ελεύθερου γραφίτη (σφαίρες ή φύλλα/νιφάδεs) σε αντίθεση με το χάλυβα, στον οποίο ο άνθρακας είναι εξ ολοκλήρου διαλυμένος στη στερεά του φάση (σεμεντίτης). Βασιζόμενοι κυρίως στη σύνθεση, την ταχύτητα απόψυξης και τη συμπεριφορά του τήγματος οι χυτοσίδηροι στερεοποιούνται σύμφωνα με το θερμοδυναμικά μετασταθές (Fe-Fe₃C) ή το ευσταθές (Fe-γραφίτης) διάγραμμα φάσεων [1,2]. Όταν ακολουθείται το μετασταθές ΔΦ η φάση υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα στο ευτηκτικό σημείο είναι ο σεμεντίτης (Fe₃C), ενώ όταν ακολουθείται το ευσταθές ΔΦ η φάση υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα στο ευτηκτικό σημείο είναι ο γραφίτης. Ο σχηματισμός της ευσταθούς ή μετασταθούς πορείας είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων, όπως της δυναμικής πυρηνοποίησης του υγρού, της χημικής σύστασης και της ταχύτητας απόψυξης. Οι δύο πρώτοι παράγοντες δηλώνουν το δυναμικό γραφιτίασης του σιδήρου. Ένα υψηλό δυναμικό γραφιτίασης θα οδηγήσει σε σίδηρο με γραφίτη (ως τη φάση με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα), ενώ ένα χαμηλό δυναμικό γραφιτίασης θα οδηγήσει σε σίδηρο με σεμεντίτη. 5

6 Μια σχηματική παράσταση της δομής των κοινών εμπορικών χυτοσιδήρων φαίνεται στο Σχήμα 2 και 3. Οι χυτοσίδηροι που στερεοποιούνται με το ευσταθές ΔΙΦ (ωστενίτη-γραφίτη) έχουν μεγάλες διαφορές ως προς τις μηχανικές τους ιδιότητες σε σχέση με αυτούς που στερεοποιούνται με το μετασταθές ΔΙΦ (ωστενίτησεμεντίτη). Επομένως, ο βασικός σκοπός της μεταλλουργικής διαδικασίας παραγωγής των χυτοσιδήρων είναι η ρύθμιση, το μέγεθος και η μορφολογία της ευτηκτικής, έτσι ώστε να επιτυγχάνονται οι επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες. Με βάση τη μικροδομή διακρίνονται τέσσερα είδη χυτοσιδήρων, οι οποίοι θα αναλυθούν παρακάτω και είναι οι εξής: γκρίζος, λευκός, ελατός και μαλακτός. 6

7 Σχήμα 1: Διμερές ΔΙΦ Fe-C, διάκριση ευσταθούς (Fe- γραφίτης) και μετασταθούς (Fe- σεμεντίτης) διαγράμματος. 7

8 Σχήμα 2: Διεργασίες παραγωγής κοινών εμπορικών χυτοσιδήρων και βασικές μικροδομές τους. 8

9 Σχήμα 3: Κατηγοριοποίηση χυτοσιδήρων κατά το εμπορικό όνομα / εφαρμογή ή τη μικροδομή Κοινός χυτοσίδηρος φυλλοειδούς γραφίτη (gray cast iron) 9

10 Ο κοινός φαιός χυτοσίδηρος φυλλοειδούς γραφίτη [1, 2] είναι προς το παρόν ο πιο διαδεδομένος τύπος χυτοσιδήρου. Σύντομα όμως, αυτό θα αποτελεί παρελθόν, αφού μειώνονται συνεχώς τα ποσοστά εφαρμογής του προς όφελος του ελατού χυτοσιδήρου που υπερέχει σαν κατασκευαστικό υλικό και βρίσκει όλο και περισσότερες εφαρμογές. Στον φαιό χυτοσίδηρο ο γραφίτης έχει σχήμα νιφάδων (flakes). Οι νιφάδες συγκροτούνται σε οικογένειες και έχουν διάφορα μεγέθη, διασπορά και κατανομή που έχει άμεση σχέση με τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού και την κατεργασιμότητά του. Σύμφωνα με τις ισχύουσες ευρωπαϊκες τεχνικές προδιαγραφές (European Standard EN 1561:1997) οι ποιότητες - κατηγοριοποίηση του υλικού καθορίζονται με βάση τις μηχανικές ιδιότητές του και συγκεκριμένα την αντοχή σε εφελκυσμό. Το υλικό αυτό δεν είναι όλκιμο, αλλά ψαθυρό. Επομένως, κατά τη δοκιμή εφελκυσμού μετράται μόνον το όριο θραύσης κι όχι το όριο διαρροής ή το ποσοστό (%) της επιμήκυνσης. Η διαδικασία στερεοποίησης του τήγματος ακολουθεί το διάγραμμα φάσεων Fe-C. Ο μηχανισμός με τον οποίο δημιουργούνται οι στερεές φάσεις του γραφίτη και ωστενίτη στην ευτηκτική περιοχή και στη συνέχεια φερρίτη ή φερρίτη/περλίτη στην ευτηκτοειδή περιοχή είναι παρόμοιος με αυτόν του ελατού χυτοσιδήρου. Τα βασικά στοιχεία του χυτοσιδήρου είναι ο άνθρακας, το πυρίτιο και ο φώσφορος. Το ευτηκτικό του χυτοσιδήρου είναι ίσο με C=4.3% στο διάγραμμα Fe-C. Με την παρουσία πυριτίου και φωσφόρου το ευτηκτικό απαιτεί μειωμένη περιεκτικότητα σε άνθρακα σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο του ισοδύναμου άνθρακα (CE): Carbon equivalent value (CEV) = T.C. % + (Si% + P %) /3 Εικόνα 1: Φαιός χυτοσίδηρος, φυλλοειδής γραφίτης (500Χ). 10

11 Εικονα 2: Φαιός χυτοσίδηρος 3 % Nital 500Χ 70% περλίτης και 30% σορμπίτης, τοπικά ελάχιστος (λευκός) φερρίτης, φυλλοειδής γραφίτης. Από πλευράς μικροδομής διακρίνονται οι δύο ακραίες περιπτώσεις φερριτικού (Εικόνα 1) και περλιτικού (Εικόνα 2) γκρίζου χυτοσιδήρου Λευκός χυτοσίδηρος (white cast iron) Οι λευκοί χυτοσίδηροι [1, 2] έχουν μεταλλογραφική μήτρα από χονδρόκοκκο καρβίδιο σεμεντίτη και περλίτη, όταν δεν είναι κραματωμένοι. Οι κραματωμένοι λευκοί χυτοσίδηροι έχουν μήτρα μαρτενσιτική και χονδρόκοκκα σύνθετα καρβίδια μετάλλων με τα οποία έχουν κραματωθεί (Εικόνα 3). Η χρήση των λευκών είναι κυρίως για χυτά σε αντιτριβικές εφαρμογές, καθώς επίσης και σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Εικόνα 3: Λευκός χυτοσίδηρος. Μήτρα με φάση καρβιδίων (λευκές περιοχές) και μαρτενσίτης (σκούρα περιοχή) 400Χ. 11

12 Η διαδικασία στερεοποίησης είναι σύνθετη και ακολουθεί ανάλογα με τα ποσοστά κραμάτωσης του υλικού σε μεγαλύτερο βαθμό το μετασταθές ΔΙΦ Fe-Fe3C, δημιουργώντας ευτηκτικά καρβίδια μετάλλων (Μ7C3) σε μήτρες ωστενίτη, μαρτενσίτη ή περλίτη. Τα μέταλλα με τα οποία κραματώνονται για την αύξηση της σκληρότητάς τους σταθεροποιούν το σεμεντίτη, τα δε ποσοστά άνθρακα είναι χαμηλά (<3%) σε κάποιες κατηγορίες Ελατός χυτοσίδηρος (ductile cast iron) Πρόκειται για την πλέον πρόσφατη οικογένεια χυτοσιδήρων (ανακαλύφθηκε περί το 1950), της οποίας η ποσοστιαία συμμετοχή στις εμπορικές χρήσεις αυξήθηκε τα τελευταία χρόνια. Ονομάζεται και χυτοσίδηρος σφαιροειδούς γραφίτη (nodular iron) [1, 2, 3, 4]. Την ονομασία του την παίρνει από τη σφαιροειδή μορφή των συσσωματωμάτων γραφίτη, η οποία πρωτίστως επιτυγχάνεται με κατάλληλη πρόσμιξη πυρηνωτών (μαγνήσιο, σπάνιες γαίες) στο βασικό τήγμα σύστασης ανάλογης με αυτήν του γκρίζου χυτοσιδήρου. Εικόνα 4: Ελατός χυτοσίδηρος (3 % Nital, 100Χ) 90% περλίτης/σορμπίτης και 10% φερρίτης. Ο ελατός χυτοσίδηρος παρουσιάζει, εκτός των κλασικών ιδιοτήτων του γκρίζου χυτοσιδήρου, πολύ υψηλό μέτρο ελαστικότητας με γραμμική σχέση τάσης παραμόρφωσης, πολύ καλό εύρος τιμών τάσεων διαρροής και ιδιαίτερα καλή ολκιμότητα. Μπορεί και χυτεύεται σε μεγάλο εύρος, από λεπτές έως χοντρές διατομές. Η μικροδομή του κυμαίνεται μεταξύ της περλιτικής (Εικόνα 4) και της φερριτικής (Εκόνα 5). 12

13 Εικόνα 5: Ελατός χυτοσίδηρος (3 % Νιtal, 100Χ) ca. 90 % φερρίτης και 10% περλίτης/σορμπίτης Μαλακτός χυτοσίδηρος (malleable cast iron) Οι μαλακτοί χυτοσίδηροι [1,5] χυτεύονται με λευκή δομή, δηλαδή, ακολουθώντας το μετασταθές διάγραμμα φάσεων Fe-Fe3C. Η μήτρα των μαλακτών αμέσως μετά την χύτευσή τους αποτελείται από περλίτη με καρβίδια σεμεντίτη. Στην συνέχεια τα χυτά εξαρτήματα υφίστανται θερμική κατεργασία (ανόπτηση στους 1070 C), ώστε στο υλικό να διασπαστούν τα καρβίδια και να δημιουργηθεί μήτρα φερρίτη ή περλίτη με τραχείες σφαίρες γραφίτη, όπως δείχνει η Εικόνα 6. Εικόνα 6: Μήτρα 100% φερρίτη και γραφίτης με χαρακτηριστικό αστεροειδές σχήμα. (100Χ). Υπάρχουν δύο είδη μαλακτού χυτοσιδήρου. Ο μαλακτός μαύρου πυρήνα κι ο μαλακτός λευκού πυρήνα. Τα ονόματά τους τα έχουν πάρει από το χρώμα της 13

14 επιφάνειας θραύσης τους. Η χρήση τους έχει μειωθεί δραστικά λόγω της χρήσης του ελατού χυτοσιδήρου, αλλά και λόγω του κόστους παραγωγής τους, αφού η παραγωγή τους είναι ιδιαίτερα ενεργοβόρα, λόγω της ανάγκης θερμικής κατεργασίας. Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται σε άξονες περιεκτικοτήτων άνθρακα και πυριτίου οι περιοχές χημικής σύστασης όπου επικρατούν τα διάφορα είδη χυτοσιδήρων που προαναφέρθηκαν. Σημειώνεται η επικάλυψη η οποία παρατηρείται σε μεγάλο βαθμό. Σχήμα 4: Διάγραμμα περιεκτικοτήτων άνθρακα-πυριτίου με τις περιοχές χημικής σύνθεσης των στοιχείων για τα διάφορα είδη χυτοσιδήρου και χάλυβα. 14

15 2.3 Παραγωγή χυτοσιδήρου Χύτευση στερεοποίηση του ελατού Παραγωγή Σήμερα η παραγωγή του ελατού χυτοσιδήρου γίνεται κυρίως σε επαγωγικούς φούρνους τήξης [7,8]. Είναι δυνατή η παραγωγή του και σε ορθοκαμίνους (cupolas), κυρίως για μεγάλες παραγωγές, αλλά τότε απαιτείται αποθείωση πριν την σφαιροποίηση και τον εμβολιασμό. Η παγκόσμια παραγωγή του ελατού είναι περισσότερη από 20 εκατομμύρια τόνοι/έτος. Το Σχήμα 5 δείχνει την ετήσια παγκόσμια παραγωγή από το 1950 έως το Το 1/3 της παγκόσμιας παραγωγής αφορά σωλήνες πιέσεως, το 1/3 μηχανικά μέρη αυτοκινήτων και φορτηγών και το άλλο 1/3 βιομηχανικά χυτά. Σχήμα 5: Ετήσια παγκόσμια παραγωγή από το 1950 έως το Χύτευση Η χύτευση του ελατού χυτοσιδήρου γίνεται κατά κύριο λόγο σε καλούπια (τύπους) άμμου μιας χρήσεως και σε μικρότερο βαθμό σε μόνιμα μεταλλικά καλούπια περιστροφικής χύτευσης. Τα τελευταία χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή χυτοσιδήρων σωλήνων ύδρευσης και αποχέτευσης. Τα καλούπια (τύποι) άμμου είναι διαφόρων ειδών [8]. Για χυτά μεγάλων σειρών γίνεται χρήση μαύρης νωπής άμμου (green sand) [2]. Αυτή η άμμος είναι μείγμα χαλαζιακής άμμου, μπεντονίτη, ανθρακόσκονης και νερού. 15

16 Για μικρές σειρές παραγωγής και μεγάλα χυτά η χύτευση γίνεται σε αυτοσκληρινόμενα καλούπια άμμου ρητίνης. Τα καλούπια αυτά είναι μείγμα άμμου και φαινολικής ή φουρανικής ρητίνης και είναι δυνατό σήμερα, στα καλούπια αυτά να χυτευτούν χυτά βάρους πολλών τόννων. Το μεγαλύτερο χυτό εως σήμερα χυτεύθηκε σε χυτήριο της Γερμανίας και είχε βάρος 220 τόννων. Τα δοκίμια για την παρούσα εργασία χυτεύθηκαν σε μικρά καλούπια από φαινολική ρητίνη και χαλαζιακή άμμο. Η μέθοδος αυτή εξασφαλίζει καθαρά χυτά ελεύθερα από προσμίξεις άμμου και σκουριάς που είναι απαραίτητο για παραγωγή αξιόπιστων δοκιμίων. Η θερμοκρασία χύτευσης ήταν περίπου 1420 С και χυτεύθηκαν από την ίδια παρτίδα μετάλλου. Το μέταλλο μετά την τήξη και την τακτοποίηση της χημικής ανάλυσής του σφαιροποιήθηκε και εμβολιάσθηκε, πριν γίνει η χύτευση των καλουπιών όλων των δοκιμίων. Επίσης, πριν την χύτευση λήφθηκαν δείγματα για τη χημική ανάλυση στο φασματογράφο. Τα δοκίμια χυτεύθηκαν σύμφωνα με την γερμανική προδιαγραφή DIN σε διάσταση Φ 30 mm x 220 mm. Στην συνέχεια έγινε η κατεργασία τους σύμφωνα με το παρακάτω σχέδιο (Εικόνα 7): Εικόνα 7: Σχέδιο κατεργασίας δοκιμίων. Όπως φαίνεται και από την Εικόνα 7 η διάμετρος δοκιμής είναι Φ14mm, το μήκος δοκιμής είναι L0 =70 mm και η διάμετρος των άκρων του δοκιμίου d1= Φ17 mm Υποευτηκτική στερεοποίηση 16

17 Οι υποευτικτικοί ελατοί χυτοσίδηροι [1,2] αρχίζουν να στερεοποιούνται με τη δημιουργία δενδριτών ωστενίτη. Η διαδικασία συνεχίζεται με την ψύξη και στερεοποίηση του τήγματος κάτω από την ευτηκτική θερμοκρασία. Μετά την υπόψυξη ο γραφίτης και ο στερεός σίδηρος δημιουργούνται ταυτόχρονα προκαλώντας αύξηση της θερμοκρασίας (Recalescence) [1,2] έως την ευτηκτική θερμοκρασία, εάν η ταχύτητα ψύξης είναι αργή. Η ψύξη του ευτηκτικού χαρακτηρίζεται από την παράλληλη αύξηση των δενδριτών του ωστενίτη και του γραφίτη, με τον ωστενίτη να δημιουργεί ένα κέλυφος γύρω από τον γραφίτη. Οι σύνθετες σφαίρες γραφίτη-ωστενίτη ενώνονται μεταξύ τους, αλλά και με τους δενδρίτες ωστενίτη. Οι μεμωνομένες σύνθετες σφαίρες γραφίτη εσωτερικά και ωστενίτη εξωτερικά υπό μορφή κελύφους σχηματίζονται, ενώ αποχωρίζονται από το υγρό μέταλλο. Αυτές οι ομάδες ονομάζονται ευτηκτικά κύτταρα ή πυρήνες/ κρύσταλλοι (Εικόνα 8). Κατά την διάρκεια της στερεοποίησης το υγρό μέταλλο απανθρακώνεται και τα όρια των κόκκων δεν περιέχουν καθόλου άνθρακα. Αυτό το χαρακτηριστικό στην παραπάνω στερεοποίηση του μετάλλου προκαλεί σχήμα παραβολής στο διάγραμμα στερεοποίησης στο σημείο μεταξύ της ιδανικής (θεωρητικής) οριζόντιας ευτηκτικής και της υπόλοιπης καμπύλης ψύξης. Εικόνα 8. Διαδοχικά στάδια κατά τη στερεοποίηση του ελατού χυτοσιδήρου. Δεν ελήφθησαν υπόψη οι πρωτογενείς δενδρίτες (Morrogh, 1961). Θερμική ανάλυση στερεοποίησης ελατού χυτοσιδήρου Η θερμική ανάλυση είναι ένα εργαλείο ελέγχου μέτρησης διάφορων χρήσιμων παραμέτρων στερεοποίησης, για να εξαχθούν συμπεράσματα για τη δομή του υλικού, πριν ακόμη έλθει η στιγμή για οπτικό μεταλλογραφικό έλεγχο. Η συσκευή θερμικής ανάλυσης ελέγχει το υγρό μέταλλο πριν τη χύτευση και αποδίδει σε δευτερόλεπτα το ισοδύναμο του άνθρακα CE καθώς επίσης και το %w C. Επίσης δίδει όλες τις παραμέτρους που αναφέρονται και επεξηγούνται παρακάτω στο Σχήμα 6. Η θερμική ανάλυση είναι γενικά το βασικό εργαλείο ελέγχου παραγωγής στα χυτήρια χυτοσιδήρων. 17

18 Σχήμα 6. Καμπύλη στερεοποίησης ελατού χυτοσιδήρου. Επεξήγηση παραμέτρων θερμικής ανάλυσης. TM Μέγιστη θερμοκρασία τήγματος TEU Ελάχιστη ευτηκτική θερμοκρασία TER Μέγιστη ευτηκτική θερμοκρασία TES Θερμοκρασία στερεού (solidus) TEM Μέγιστη ταχύτητα Recalescence Tst Θερμοκρασία ευτηκτικού γραφίτη (ευσταθές) Tmst Θερμοκρασία ευτηκτικού σεμεντίτη (Μετασταθές) ΔTm Μέγιστη υπόψυξη. ΔTr Βαθμός Recalescence τtm-τeu, τteu-tes Διάφορα χρονικά διαστήματα παραμέτρων. Κανόνες παραγωγής χυτοσιδήρου υψηλής ποιότητας - Μικρή τιμή υπόψυξης ΔΤm - Μικρή τιμή Recalecence ΔΤr - Ελάχιστη ευτηκτική θερμοκρασία TEU > Θερμοκρασία ευτηκτικού σεμεντίτη Tmst - Θερμοκρασία στερεού TES > Θερμοκρασία ευτηκτικού σεμεντίτη Tmst 18

19 2.3.2 Υπερευτηκτική στερεοποίηση Η στερεοποίηση του υπερευτηκτικού ελατού χυτοσιδήρου [1,2] είναι παρόμοια με αυτήν του υποευτηκτικού με τη διαφορά ότι η πρώτη (πρωτογενής) φάση που δημιουργείται είναι σφαίρες πρωτογενούς γραφίτη. Όταν η θερμοκρασία μειωθεί κάτω από την ευτηκτική στερεοποιείται ταυτόχρονα ο γραφίτης κι ο ωστενίτης όπως και στον υποευτηκτικό ελατό χυτοσίδηρο. Η διαδικασία είναι ίδια με την δημιουργία ευτηκτικών σφαιρών με γραφίτη στο εσωτερικό και ωστενίτη στο περίβλημα της σφαίρας με την μορφή κελύφους (Εικόνα 9). Εικόνα 9: Σχηματική αναπαράσταση της στερεοποίησης του σφαιροειδούς ελατού χυτοσιδήρου Henke, Πυρηνοποίηση του γραφίτη στον ελατό χυτοσίδηρο Η πυρηνοποίηση του γραφίτη [1,2] και του ωστενίτη δημιουργείται με ετερογενείς διαδικασίες και απαιτείται να προϋπάρχουν φύτρα συμβατά αντίστοιχα με τις κρυσταλλικές τους δομές. Ο εμβολιασμός του υγρού μετάλλου διαδραματίζει ένα σημαντικότατο ρόλο κι αυξάνει ιδιαίτερα στους υποευτηκτικούς ελατούς τη δυναμική πυρηνοποίησης του γραφίτη. Διάφοροι τύποι μικροσωματιδίων, προϊόντα της σφαιροποίησης και του εμβολιασμού έχουν βρεθεί στο κέντρο των γραφιτικών σφαιρών, δηλώνοντας άμεσα το αίτιο της πυρηνοποίησης [1,2,3]. Μπορεί να ειπωθεί ότι τα φύτρα αρχικής δημιουργίας πυρήνων σφαιρών γραφίτη είναι ξένα ετερογενή μικροσωματίδια μεγέθους 0,4-2 μm. Παρακάτω παρατίθενται οι δύο διαφορετικές θεωρίες δημιουργίας και αύξησης της σφαίρας του γραφίτη (Εικόνα 10 και 11 ). Η επικρατούσα είναι αυτή που υποστηρίζει την αύξηση του όγκου από το κέντρο της σφαίρας προς τα έξω, ακτινικά και σε διαδοχικές στρώσεις (Εικόνα 10). 19

20 Εικόνα 10: Η επικρατούσα θεωρία θέλει την αύξηση της σφαίρας να συντελείται από το κέντρο προς την περιφέρεια. Εικόνα 11: Aνάπτυξη μία σφαίρας γραφίτη από την περιφέρεια προς το κέντρο (Karsay και Stadelmeyer) Σφαιροποίηση (Nodularization) Η σφαιροποίηση του τήγματος γίνεται με την χρήση μαγνησίου [1,2,9,11] σε μορφή κράματος FeSiMg (περιεκτικότητα 5,5% Mg). Το κράμα FeSiMg τοποθετείται στον πάτο του κάδου σε ποσοστό ~1.7% επί του βάρους του μετάλλου που θα επεξεργαστεί. Πάνω σε αυτό τοποθετούνται τεμάχια χάλυβα, ώστε να κρατηθεί στον πυθμένα του κάδου και να μην επιπλεύσει, όταν ο κάδος γεμίσει με το υγρό μέταλλο που θα χυτευτεί στον κάδο προς επεξεργασία [12,13]. Αυτό γίνεται, διότι το κράμα μαγνησίου έχει μικρότερο ειδικό βάρος (2.5 Kg/dm3) σε σχέση με το υγρό μέταλλο (~6.5Kg/dm3). Με τον τρόπο αυτό αναγκάζεται το κράμα μαγνησίου να αντιδράσει με το σύνολο του όγκου του τήγματος προς επεξεργασία. Κατά την επεξεργασία το μαγνήσιο του κράματος λιώνει και διαλύεται στο τήγμα κινούμενο από τον πυθμένα του κάδου προς τα πάνω και έτσι διαπερνά όλο το περιεχόμενο του κάδου. Ένα μικρό ποσοστό εξουδετερώνεται από το θείο που περιέχεται στο τήγμα και παράγεται MgS. Το υπόλοιπο διαλύεται στο τήγμα και δημιουργεί τις προϋποθέσεις για τη σφαιροποίηση του γραφίτη κατα τη στερεοποίηση, αφού πρώτα προηγηθεί κατάλληλος εμβολιασμός με κράμα FeSi 75% που περιέχει σπάνιες γαίες, όπως στρόντιο, βάριο, ασβέστιο, ζιρκόνιο κλπ., ανάλογα με την εφαρμογή και το είδος του χυτού. 20

21 2.3.5 Εμβολιασμός (Inoculation) Ο σωστός χρονικά εμβολιασμός [1,2,10] του τήγματος είναι πολύ σημαντικός παράγοντας, ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή δομή στο υλικό. Η σφαιροποίηση και ο εμβολιασμός του τήγματος πρέπει να γίνονται αμέσως λίγο πριν τη χύτευση, διαφορετικά δεν θα παραχθεί η σωστή δομή και το στερεοποιημένο υλικό θα βρεθεί εκτός προδιαγραφών. Οι παρακάτω μεταλλογραφικές δομές δείχνουν ατελή εμβολιασμό Εικόνα 12 και τέλειο εμβολιασμό Εικόνα 13. Στην Εικόνα 13 παρατηρείται η δημιουργία πολλών τέλειων σφαιρών γραφίτου [12,13], λόγω καλής πυρηνοποίησης του τήγματος, ενώ στη Εικόνα 12 ο γραφίτης δεν είναι σχηματισμένος σφαιρικά και έχει μικρή διασπορά. Στις Εικόνες 14 και 15 διακρίνονται ανεπιθύμητες δομές υλικού, όταν δεν ακολουθείται σωστή μεταλλουργική διαδικασία κατά την παραγωγή του ελατού χυτοσιδήρου. Παραδείγματα λαθών μπορεί να είναι εκτός από τον ανεπαρκή εμβολιασμό, η λανθασμένη επιλογή χημικής σύνθεσης για το πάχος του χυτού που θα χυτευτεί, ο ελλιπής έλεγχος των ακαθαρσιών από άλλα στοιχεία μετάλλων στο τήγμα, καθώς και ο ελλιπής έλεγχος της ταχύτητας στερεοποίησης του χυτού προϊόντος. Όλα τα παραπάνω μπορεί να οδηγήσουν σε μερική στερεοποίηση, σύμφωνα με το μετασταθές διάγραμμα φάσεων αντί του ευσταθούς διαγράμματος. Φάσεις καρβιδίων στη δομή του ελατού χυτοσιδήρου είναι μη επιτρεπτές και τα χυτά που εμπεριέχουν καρβίδια, έστω και σε ελάχιστα ποσοστά ( >1% ) θεωρούνται απορριπτέα. Εικόνα 12: Ανεπαρκής εμβολιασμός ελατού χυτοσιδήρου (Nital 3%. 70X) Διακρίνονται ατέλειες, ανομοιομορφίες με κακή διασπορά σφαιρών γραφίτη. Ευδιάκριτα τα όρια των κρυστάλλων. 21

22 Εικόνα 13: Σωστός εμβολιασμός ελατού χυτοσιδήρου. (Nital 3%, 70X) Διακρίνονται τέλειες, ομοιόμορφες, με καλή διασπορά σφαίρες γραφίτη. Ευδιάκριτα τα όρια των κρυστάλλων. Εικόνα 14. Ελατός χυτοσίδηρος φερριτική μήτρα και σφαίρες γραφίτη. Μέσα στον φερρίτη φαίνονται τα πρωτογενή καρβίδια του σεμεντίτη. Η φάση με τα γκρι γωνιακά σχήματα. 3% Nital 400Χ 22

23 Εικόνα 15. Ελατός χυτοσίδηρος περλιτική μήτρα και σφαίρες γραφίτη. Μέσα στον περλίτη (σκούρα φάση) φαίνονται τα πρωτογενή καρβίδια του σεμεντίτη. Η φάση με τα λευκά γωνιακά σχήματα. 3% Nital 400Χ Βασικά και κραματοποιά στοιχεία ελατών χυτοσιδήρων Τα βασικά στοιχεία των ελατών χυτοσιδήρων είναι: 1. Άνθρακας και πυρίτιο: Στο Σχήμα 4 (σελ 11) παρουσιάζονται τα περιθώρια χημικής σύστασης σε άνθρακα και πυρίτιο διαφόρων οικογενειών σιδηρούχων κραμάτων. Όσο η περιεκτικότητα στα στοιχεία αυτά αυξάνεται προκαλείται προοδευτικά σχηματισμός σεμεντίτη ή γραφίτη. Οι χυτοσίδηροι σε αντίθεση με τους χάλυβες εμφανίζουν το φαινόμενο αυτό [14,16]. Αυξάνοντας την περιεκτικότητα σε άνθρακα ή πυρίτιο παρατηρείται πτώση σημείου τήξεως. Το χαμηλότερο σημείο τήξεως παρουσιάζουν κράματα με ευτηκτική σύσταση. Όταν δεν υπάρχει πυρίτιο, τότε η ευτηκτική σύσταση (του Fe-C) είναι 4,3% C. Η επίδραση του πυριτίου στην περιεκτικότητα σε άνθρακα ευτηκτικού σημείου αποδίδεται από την παρακάτω σχέση: % C + 1/3 % Si = 4,3 του την ΔΦ του Έχει καταστεί ιδιαίτερα χρήσιμη η σύνδεση των περιεκτικοτήτων άνθρακα και πυριτίου ενός χυτοσιδήρου σε ένα συντελεστή, ο οποίος αποκαλείται ισοδύναμο άνθρακα (carbon equivalent, CA) και αποδίδεται: CA = % C +1/3 % Si 23

24 Το ισοδύναμο άνθρακα παριστάνει το πόσο κοντά στην ευτηκτική σύσταση βρίσκεται ένας χυτοσίδηρος με δεδομένη χημική ανάλυση. Όταν το CA ισούται με 4,3 τότε ο χυτοσίδηρος χαρακτηρίζεται ευτηκτικός. Διαφορετικά υποευτηκτικός ( CA<4,3) ή υπερευτηκτικός (CA>4,3). Χυτοσίδηροι με το ίδιο ισοδύναμο άνθρακα μπορούν να παραχθούν φυσικά με διαφορετικές περιεκτικότητες σε άνθρακα ή πυρίτιο. Η ολική περιεκτικότητα σε άνθρακα και πυρίτιο, όπως συνδέονται με τη σχέση του ισοδύναμου άνθρακα προσδιορίζουν το θερμοκρασιακό εύρος στερεοποίησης του κράματος, τα χαρακτηριστικά χύτευσής του και τις τελικές του ιδιότητες. Χυτοσίδηροι με το ίδιο CA, αλλά με διαφορετικές αναλογίες άνθρακα-πυριτίου ΔΕΝ παρουσιάζουν ίδιες ιδιότητες. 2. Θείο : Το στοιχείο αυτό συναντάται σε κάποιο βαθμό στους χυτοσιδήρους, δεν έχει όμως τα ίδια καταστροφικά αποτελέσματα, τα οποία παρατηρούνται από την παρουσία του στους χάλυβες. Ο ρόλος του και η ποσότητά του ρυθμίζεται από το μαγνήσιο (έξοχος αποθειωτής), το οποίο αντιδρά δραστικά μαζί του στο τήγμα προς σχηματισμό του σουλφιδίου MgS ( συστατικό της σκωρίας ) [16]. Η αντίδραση αυτή λαμβάνει χώρα όσο η περιεκτικότητα σε θείο διατηρείται κάτω του 0,01% και σε ισοροποία με το μαγνήσιο στο σίδηρο. Ο χυτοσίδηρος χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο (0,01%) υφίσταται σχεδόν πλήρη γραφιτίαση. Για τον ελατό χυτοσίδηρο η περιεκτικότητα σε θείο πρέπει να είναι πολύ χαμηλή για να αποφεύγεται η αντίδρασή του με το μαγνήσιο, το οποίο είναι απαραίτητο για τη διαμόρφωση του σφαιροειδούς γραφίτη. 3. Μαγγάνιο: Η επίδραση του θείου πρέπει να θεωρείται παντοτε σε σχέση με την περιεκτικότητα σε μαγγάνιο του σιδήρου. Απουσία μαγγανίου [16] σημαίνει ότι το θείο θα αντιδράσει με το σίδηρο προς το σουλφίδιο FeS, το οποίο παρατηρείται στα όρια των κόκκων μετά τη στερεοποίηση. Το μαγγάνιο σε ικανή περιεκτικότητα δεσμεύει το θείο υπό μορφή MnS το οποίο παρατηρείται υπό μορφή διάσπαρτων νησίδων στη μικρογραφική εικόνα. Ως MnS το θείο δεν προωθεί την περλιτική μικροδομή. Tα δύο αυτά στοιχεία συνδέονται με την ακόλουθη σχέση σε επίπεδο περιεκτηκοτήτων: %S x 1,7 = % Man Oι περιεκτικότητες ισορροπίας σε θείο και μαγγάνιο οι οποίες αλληλοεξουδετερώνονται και προωθούν το μέγιστο του ελεύθερου φερρίτη και το ελάχιστο της σκληρότητας του χυτοσιδήρου έχουν βρεθεί να συνδέονται με τη σχέση: 1,7 x % S + 0,15 = % Man Συνεπώς οι αρχικές προσθήκες μαγγανίου λειτουργούν αποκλειστικά για την εξουδετέρωση του θείου. Περιεκτικότητες σε υπέρβαση της τιμής η οποία προσδιορίζεται από την παραπάνω σχέση προωθούν την περλιτική μικροδομή και συνεπώς την αύξηση της σκληρότητας και της μηχανικής αντοχής του χυτοσιδήρου. 4. Φωσφόρος: Είναι ένα κοινό συστατικό των χαλύβων και χυτοσιδήρων. Σε πολύ μικρές ποσότητες παραμένει υπό μορφή στερεού διαλύματος στο σίδηρο. Σε 24

25 μεγαλύτερες ποσότητες συναντάται υπό τη μορφή του στεδίτη, ο οποίος είναι ένα σύνθετο ευτηκτικό του σιδήρου και του φωσφιδίου του σιδήρου με σημείο τήξεως μεταξύ 1750 και 1800 οf. Αποτελεί συνεπώς το τελευταίο συστατικό του τήγματος για στερεοποίηση. Διαφορίζεται τελικά και συναντάται στα όρια των κυψελλών της ευτηκτικής του χυτοσιδήρου. Εχει μεγάλη επίδραση στην ευχυτότητα του τήγματος και πριν την ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών για απόχυση οι χυτοσίδηροι υψηλής περιεκτικότητας σε φωσφόρο [15,16] εύρισκαν εφαρμογή στη χύτευση λεπτών διατομών και αντικειμένων με λεπτές λεπτομέρειες. Επειδή όμως ο στεδίτης είναι σκληρός και εύθρυπτος οι χυτοσίδηροι υψηλής περιεκτικότητας σε φωσφόρο είναι εύθραυστοι αλλά παρουσιάζουν ανεξήγητα υψηλή αντοχή στην τριβή. Περιεκτικότητες μεγαλύτερες του 0,5% σε Ρ στον γκρίζο χυτοσίδηρο οδηγούν στο σχηματισμό δικτύου στεδίτη ο οποίος ελαττώνει τη μηχανουργική κατεργασιμότητα και την αντοχή σε κρούση του υλικού. Περιεκτικότητες μικρότερες του 0,2% σε Ρ οδηγούν στο σχηματισμό διάσπαρτων νησίδων στεδίτη οι οποίες δεν έχουν σημαντική επίδραση στις ιδιότητες του υλικού. Σε περιεκτικότητες μικρότερες του 0,12% ο Ρ δεν σχηματίζει ανεξάρτητη φάση και παραμένει σε κατάσταση στερεού διαλύματος. Ο φωσφόρος αυτός λειτουργεί ως σταθεροποιητής του περλίτη, γεγονός πολύ σημαντικό στους φερριτικούς γκρίζους και στους όλκιμους χυτοσιδήρους. Ειδικά στους όλκιμους χυτοσιδήρους επιδιώκεται περιεκτικότητα σε Ρ μικρότερη του 0,08% διότι μεγαλύτερη οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας μετάβασης από όλκιμη σε ψαθυρή θραύση κατά την κρούση. Εφαρμογές με απαίτηση μέγιστης ολκιμότητας σε χαμηλές θερμοκρασίες απαιτούν περικτικότητα σε Ρ 0,05%. Μεταλλικά στοιχεία σε περιεκτικότητα μεγαλύτερη του 0,1% και μέχρι περίπου 3% προστίθενται στο χυτοσίδηρο για τροποποίηση των ιδιοτήτων του μητρικού σιδήρου (matrix) [16]. Μεγαλύτερες περιεκτικότητες (μέχρι και 30%) χρησιμοποιούνται για μόρφωση υλικών με τελείως διαφορετικές ιδιότητες. Πρόκειται για τους υψηλά κεκραμένους χυτοσιδήρους, οι οποίοι παρουσιάζουν υψηλή αντοχή στην τριβή, στη θερμότητα, στη διάβρωση και μπορεί να είναι αμαγνητικοί. Τα στοιχεία αυτά αναφέρονται πολλές φορές στην αγγλόφωνη βιβλιογραφία ως alloys και είναι τα εξής: 1. Χαλκός : Ο χαλκός σταθεροποιεί τον περλίτη και δεν προάγει τον σχηματισμό καρβιδίων ( στην πραγματικότητα ο χαλκός είναι στοιχείο γραφιτίασης). Χρησιμοποιείται ευρέως στην δημιουργία περλιτικού ελατού χυτοσιδήρου. Παρόλο που το όριο διαλυτότητας του χαλκού στον ελατό χυτοσίδηρο είναι περίπου 2,5%, το όριο κραμάτωσης είναι 1,5% για να μην επηρεάζει την σφαιροποίηση του γραφίτη. 2. Κασσίτερος: Ο κασσίτερος είναι ένα πολύ ισχυρό (10 φορές ισχυρότερο του χαλκού) στοιχείο σταθεροποίησης του περλίτη και, όπως ο χαλκός, δεν προάγει τον σχηματισμό καρβιδίων ακόμα και σε ποσοστά έως και 0,15%. Είναι αποτελεσματικό, επειδή κατά την στερεοποίηση εμποδίζεται η διάχυση του άνθρακα από την επιφάνεια του σφαιροειδούς γραφίτη. Έτσι, ο άνθρακας 25

26 που βρίσκεται στον ωστενίτη δεν διαχέεται στον γραφίτη και ο ωστενίτης με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα μετατρέπεται σε περλίτη. 3. Μολυβδαίνιο: Η προσθήκη μολυβδαίνιου έχει σκοπό να: Αυξήσει την εμβαπτότητα: προσθήκες άνω του 1% χρησιμοποιούνται για να πετύχουμε μαρτενσιτικές δομές ελεύθερες από περλίτη είτε στη χύτευση είτε μετά από θερμική κατεργασία. Αυξήσει την αντοχή στην υψηλή θερμοκρασία: προσθήκες άνω του 2% αυξάνουν σημαντικά την αντοχή σε εφελκυσμό σε υψηλές θερμοκρασίες, το όριο θραύσης, την αντοχή σε ερπυσμό όπως και την κόπωση σε υψηλές θερμοκρασίες. 4. Νικέλιο : Η προσθήκη νικελίου έχει σκοπό να : Αυξήσει την εμβαπτότητα ( 0,5-4% προσθήκη Νi) Πετύχει ωστενιτική δομή στη μήτρα (18-36% προσθήκη Ni) Βελτιώσει τις μηχανικές ιδιότητες του φερριτικού ελατού χυτοσιδήρου σε χαμηλές θερμοκρασίες Βελτιώσει την αντοχή του ελατού χυτοσιδήρου χαμηλής περεκτικότητας σε πυρίτιο. 26

27 Η διπλωματική εργασία πραγματεύεται τους ελατούς φερριτικούς χυτοσιδήρους με υψηλό πυρίτιο, το οποίο προστίθεται για τη δημιουργία στερεού διαλύματος αντικατάστασης στο φερρίτη. Ακολουθούν διαγράμματα των μηχανικών ιδιοτήτων ανάλογων υλικών τα οποία αναδεικνύουν το ρόλο του Si στη διαμόρφωσή τους [14,17]. Σχήμα 7: Διάγραμμα σκληρότητας Brinell συναρτήσει της περιεκτικότητας σε πυρίτιο. Στο Σχήμα 7 φαίνεται η αύξηση της σκληρότητας κατά Brinell με την αύξηση του ποσοστού πυριτίου στον ελατό χυτοσίδηρο. Σχήμα 8. Καμπύλες ορίου θραύσης και ορίου διαρροής συναρτήσει της περιεκτικότητας σε πυρίτιο. 27

28 Στο Σχήμα 8 φαίνεται η γραμμική αύξηση των ορίων θραύσης και διαρροής με την αύξηση του ποσοστού πυριτίου στην περιεκτικότητα 3,5-4% Si. Σχήμα 9. Επιρροή του πυριτίου στις μηχανικές ιδιότητες του φερριτικού ελατού χυτοσιδήρου σε θερμοκρασία δωματίου. Στο Σχήμα 9 φαίνεται ότι με την αύξηση της περιεκτικότητας του πυριτίου προκύπτει αύξηση της αντοχής του υλικού και μείωση της επιμήκυνσης. 28

29 Σχήμα 10. Καμπύλες επιμήκυνσης συναρτήσει της περιεκτικότητας σε πυρίτιο. Στο Σχήμα 10 παρουσιάζεται η καμπύλη προσομοίωσης πολλών πειραματικών δεδομένων, η οποία αποδεικνύει τη μείωση της επιμήκυνσης με την αύξηση της περιεκτικότητας του πυριτίου (στην περιοχή 3,6-4% Si). Παρατηρείται ότι το εύρος της επιμήκυνσης κυμαίνεται από 20 μέχρι 25%. 29

30 Σχήμα 11. Επίδραση του πυριτίου στην οξείδωση του φερριτικού ελατού χυτοσιδήρου στον αέρα στους 650 С (1200 F). Από το Σχήμα 11 προκύπτει ότι σε μικρές περιεκτικότητες Si (1,2-3,1%) αυξάνει η οξείδωση του υλικού, ενώ σε μεγάλες (4-5,7%) το βάρος του υλικού δεν μεταβάλλεται, επομένως δεν συμβαίνει οξείδωση. 30

31 Σχήμα 12. Σύγκριση των δύο τύπων ελατού χυτοσιδήρου συναρτήσει της επιμήκυνσης και αντοχής. Στο Σχήμα 12 παρατηρείται ότι ο τύπος ΕΝ-GJS ελατού χυτοσιδήρου παρουσιάζει μικρότερη επιμήκυνση από τον τύπο ΕΝ-GJS Επίσης για μια ορισμένη περιοχή ορίου διαρροής παρατηρείται ότι η κλίση της καμπύλης επιμηκύνσεως στον ΕΝ-GJS είναι απότομη με την αύξηση του ορίου διαρροής σε σχέση με τον φερριτικό ΕΝ-GJS Αυτό αποδεικνύει την ομοιογένεια των μηχανικών ιδιοτήτων με την αύξηση του πυριτίου και την αύξηση του ορίου διαρροής [17]. 31

32 2.3.7 Iσχυροποίηση με τη δημιουργία στερεού διαλύματος αντικατάστασης (Solid solution strengthening) Η σκληρότητα, η οποία προκαλείται από διεσπαρμένα στο κρυσταλλικό πλέγμα σφάλματα ατομικού μεγέθους, αναφέρεται γενικά ως ισχυροποίηση με στερεά διαλυτοποίηση. Τα περισσότερο κοινά είδη παρόμοιων σφαλμάτων είναι τα άτομα παρεμβολής και αντικαταστάσεως. Υπάρχουν και περισσότερο σύνθετα ατομικά σφάλματα (πχ σύνδεση μίας οπής με κάποιο άτομο ακαθαρσίας ή ιόν, μετατόπιση ενός ατόμου από την κανονική του θέση στο πλέγμα), τα οποία όμως έχουν διαφορετική επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες. Τα σφάλματα, τα οποία συνεισφέρουν στους μηχανισμούς ισχυροποίησης, και τα οποία θα αναφέρονται στο κείμενο που ακολουθεί, θα αποδίδονται με τον όρο διαλελυμένη ουσία (solute) [18]. Ο μηχανισμός ισχυροποίησης με τη στερεά διαλυτοποίηση εφαρμόζεται σε μεγάλη έκταση στα μέταλλα, στα κρυσταλλικά υλικά γενικά (πχ κεραμικά, άλατα), αλλά και στους κρυστάλλους με ομοιοπολικό δεσμό. Η αιτία της ισχυροποίησης με στερεά διαλυτοποίηση είναι ο έλεγχος της κίνησης των γραμμοαταξιών και η αντίδρασή τους με τη διαλελυμένη ουσία. Ισχυροποίηση προκαλείται κάθε φορά που μία γραμμοαταξία προσκρούει σε κάποια ανομοιογένεια του κρυστάλλου. Συνεπώς οι πλέον καθαροί κρύσταλλοι είναι και οι περισσότερο χαμηλής αντοχής. Άσχετα με το είδος της εισαγόμενης ανομοιογένειας με τη στερεά διαλυτοποίση (μικρά ή μεγάλα σωματίδια, ξένα άτομα κλπ) ο κρύσταλλος σκληραίνει (ισχυροποιείται). Η γραμμοαταξία είτε απωθείται από τη διαλελυμένη ουσία (οπότε πρέπει να προσφερθεί έργο για να την πλησιάσει), είτε έλκεται από αυτήν (οπότε υπάρχει δυσκολία να απομακρυνθεί). Α. Στερεό διάλυμα παρεμβολής Το πυρίτιο σχηματίζει τα γνωστά νέφη ή ατμόσφαιρες Cottrell [18,19] στην διεσταλμένη περιοχή των διαταραχών. Συγκεντρώνονται, δηλαδή στην εφελκυόμενη περιοχή μιας διαταραχής ακμής και επειδή ο τύπος αυτός της αλληλεπίδρασης συνοδεύεται από μείωση της ελεύθερης ενθαλπίας μέσα στον κρύσταλλο, οι διαταραχές δεν μπορούν εύκολα να εγκαταλείψουν, κατά την κίνησή τους, τις ατμόσφαιρες αυτές. Οι διαταραχές ακινητοποιούνται (pinning of dislocations). Στην κίνησή τους είναι υποχρεωμένες να συμπαρασύρουν κι ολόκληρη την ατμόσφαιρα του πυριτίου που τις περιβάλλει ή να την διασχίσουν καταστρέφοντάς την. Τότε απαιτείται πρόσθετη τάση για την κίνηση των διαταραχών, δηλαδή, σκλήρωση από το στερεό διάλυμα παρεμβολής που σχημάτισε ατμόσφαιρες Cottrell. Το φαινόμενο αυτό είναι ιδιαίτερα γνωστό από την εργογήρανση των χαλύβων. Τα άτομα παρεμβολής, ακόμη και ως μεμονωμένα στο εσωτερικό ενός στερεού διαλύματος δημιουργούν λόγω τοπικής παραμορφώσεως του πλέγματος- πεδία τάσεων, τα οποία εμποδίζουν την κίνηση των διαταραχών και προκαλούν σκλήρωση [18,19,20]. 32

33 Β. Στερεό διάλυμα αντικαταστάσεως Στα στερεά αυτά διαλύματα η αλληλεπίδραση μεταξύ κινούμενων διαταραχών και στατικών διαλυμένων ατόμων μπορεί να αποδοθεί ως εξής: Η γραμμή της διαταραχής θεωρείται σαν μια τεντωμένη χορδή, η οποία δονείται και ακτινοβολεί ελαστική ενέργεια κάθε φορά που συναντά ένα άτομο αντικατάστασης. Η ενέργεια αυτή πρέπει να παρασχεθεί με πρόσθετη τάση. Διάφορες ιδιομορφίες αποδίδονται, επίσης στον τύπο αυτό της αλληλεπίδρασης. Κατά τον Cottrell η κίνηση των διαταραχών μπορεί να συμπαρασύρει άτομα αντικατάστασης, τα οποία κατά προτίμηση καταλαμβάνουν θέσεις του πλέγματος κοντά στις διαταραχές, όταν η αλληλεπίδραση των ατόμων αντικατάστασηςδιαταραχής οδηγεί σε μείωση της ενέργειας. Υπάρχει, δηλαδή, και στην περίπτωση αυτή μια ατμόσφαιρα Cottrell με άτομα αντικατάστασης [18,19,20]. Σε όλες τις περιπτώσεις, πάντως, αιτία της αλληλεπίδρασης διαταραχών ατόμων αντικατάστασης είναι η διαφορά μεγέθους του ξένου ατόμου από τα άτομα του διαλυτού που προκαλεί τοπικά παραμόρφωση του πλέγματος και πεδίο τάσεων. Είναι φανερό ότι η κίνηση των διαταραχών δυσχερένεται από την ύπαρξη ατόμων αντικατάστασης και προκαλείται, έτσι σκλήρωση του κράματος. Αλληλεπίδραση γραμμοαταξιών ατόμων διαλελυμένης ουσίας Ας θεωρηθεί αρχικά ενας τέλειος κρύσταλλος μεγάλων διαστάσεων με μία γραμμοαταξία και ένα άτομο διαλελυμένης ουσίας. Εάν η ολική ενέργεια του συστήματος μεταβάλλεται με τη σχετική θέση της γραμμοαταξίας και του ατόμου της διαλελυμένης ουσίας, γίνεται λόγος για ελαστική τους αλληλεπίδραση. Τότε το ένα σφάλμα ασκεί δύναμη επάνω στο άλλο [18]. Στην προσπάθεια ανάλυσης της αλληλεπίδρασης αυτής το ξένο άτομο στον κρύσταλλο προσομοιάζεται με μία ελαστική σφαίρα τοποθετημένη σε κάποιο συνεχές ελαστικό μέσο. Το σφάλμα τότε αντιδρά με τη γραμμοαταξία, είτε μέσω της παραμόρφωσης του υλικού γύρω του, είτε επειδή το ίδιο αποτελείται από υλικό διαφορετικών ελαστικών ιδιοτήτων από το μητρικό υλικό. Τα αποτελέσματα ισχυροποίησης είναι μεγάλα ή μικρά, ανάλογα με το εάν η παραμόρφωση του μητρικού πλέγματος από τη διαλελυμένη ουσία γίνεται με συμμετρικό ή ασύμμετρο τρόπο. Στα πλαίσια αυτά η επίδραση του είδους της γραμμοαταξίας (ακμής ή έλικα) είναι σημαντική, στην απόφαση του ποιά από τις δύο ελέγχει το φαινόμενο. 33

34 3. Μηχανικές ιδιότητες 3.1 Γενικά Οι ελατοί χυτοσίδηροι προσφέρουν με χαμηλό κόστος μοναδικές τεχνικές δυνατότητες στους κατασκευαστές που είναι εφικτές με τον έλεγχο της μικροδομής του υλικού. Αυτό καθιστά τον ελατό χυτοσίδηρο όχι απλά μοναδικό υλικό αλλά και δημιουργεί μια οικογένεια διαφορετικών υλικών και προσφέρει στους σχεδιαστές μηχανικούς διάφορες μηχανικές ιδιότητες ανάλογα με την μικροδομή του υλικού ( Εικονα 16). Ο ελατός χυτοσίδηρος έχει πλέον αντικαταστήσει το χυτοχάλυβα σε πλειάδα εφαρμογών καθώς επίσης και πολλές συγκολλητές κατασκευές προσφέροντας εξίσου καλές ιδιότητες αλλά με χαμηλότερο κόστος [1]. Εικόνα 16: Μικροδομές και όριο θραύσης για διάφορους τύπους του ελατού χυτοσιδήρου. 34

35 3.1.1 Mηχανικές ιδιότητες φερριτικών-περλιτικών ελατών χυτοσιδήρων Αυτό το κεφάλαιο αφορά τις περλιτικές-φερριτικές ποιότητες που ακολουθούν την ευρωπαϊκή προδιαγραφή EN 1563:1997 ή την αμερικανική ASTM A-536. Το Σχήμα 13 συγκρίνει τις μηχανικες ιδιότητες των φερριτικών και περλιτικών χυτοσιδήρων με αυτές των κοινών χυτοσιδήρων και μαλακών χαλύβων. Στους κοινούς χυτοσιδήρους ο φυλλοειδής γραφίτης λειτουργεί αυξητικά στην τάση και δημιουργεί μικροπλαστική παραμόρφωση σε χαμηλά επίπεδα τάσεων. Αυτή η πλαστική παραμόρφωση αναγκάζει την κλίση της καμπύλης τάσηςπαραμόρφωσης να μειώνεται συνεχώς με αποτέλεσμα ο κοινός χυτοσίδηρος να μην παρουσιάζει πραγματική ελαστική συμπεριφορά. Ο μαλακός χάλυβας παρουσιάζει ελαστική συμπεριφορά μέχρι το όριο διαρροής όπου παραμορφώνεται πλαστικά χωρίς αύξηση της τάσης. Ο ελατός χυτοσίδηρος παρουσιάζει μια ενδιάμεση συμπεριφορά με τα παραπάνω υλικά. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 13 ο ελατός χυτοσίδηρος, είτε είναι φερριτικός είτε περλιτικος, χαρακτηρίζεται από μια ελαστική σχέση τάσης-παραραμόρφωσης ανάλογη με αυτήν του χάλυβα [21]. Ωστόσο περιορίζεται από την σταδιακή έναρξη πλαστικής παραμόρφωσης που αρχικά παρουσιάζεται γύρω από τις γραφιτικές σφαίρες. Το όριο διαρροής του ελατού χυτοσιδήρου υπολογίζεται με την ίδια μέθοδο υπολογισμού (αντιστάθμιση 0.2% ), όπως και στους απλούς χάλυβες. Οι σχεδιαστές θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη αυτή την διαφορετικότητα στην ελαστική συμπεριφορά, όταν σχεδιάζουν εξαρτήματα και σε ορισμένες περιπτώσεις να κάνουν χρήση του ορίου αναλογικότητας των υλικών. 35

36 Σχήμα 13 : Ελαστική συμπεριφορά για τον μαλακό χάλυβα, τον γκρι χυτοσίδηρο και τον φερριτικό και περλιτικό ελατό χυτοσίδηρο Μηχανικές ιδιότητες ωστενιτικών και κραμματωμένων ελατών χυτοσιδήρων Ελατοί χυτοσίδηροι κραμματωμένοι με 4-6% Si [1,14] και προαιρετικά εως 2% μολυβδαίνιο εξελίχθηκαν για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών, ώστε να αντικαταστήσουν τους ακριβούς ανοξείδωτους χρωμιονικελιούχους χάλυβες. Επειδή παρουσιάζουν άριστη αντίσταση στην οξείδωση, σταθερότητα δομής, αντοχή και αντίσταση στην θερμική κυκλική φόρτιση καθώς και καλή χυτευσιμότητα αυτοί οι φερριτικοί χυτοσίδηροι είναι ιδανικά υλικά για εξαρτήματα αυτοκινήτων. (πολλαπλές, συμπιεστές turbo κλπ.). Η οικογένεια ελατών χυτοσιδήρων υψηλής κραμμάτωσης γνωστή και ως NI-RESIST παρουσιάζει μεγάλο εύρος εφαρμογών, στις οποίες απαιτούνται ειδικές χημικές, μηχανικές και φυσικές ιδιότητες. Με περιεκτικότητες από 18 εως 38% Ni και πάνω από 6% Cr, συνδιάζει όριο θραύσης από MPa και επιμήκυνση από 4 εως 40%. Αυτοί οι τύποι των ελατών παρουσιάζουν αντοχή στην χημική διάβρωση, φθορά και τριβή. Τα εξαρτήματα που κατασκευάζονται από αυτά τα υλικά βρίσκουν εφαρμογή σε αλμυρό περιβάλλον, σε υψηλές η κρυογονικές θερμοκρασίες (Πινακας 1). 36

37 Πίνακας 1 : Σύγκριση του ορίου διαρροής, του σημείου θραύσης και της αντοχής σε ρωγμή μεταξύ των ADI, κοινών και ωστενιτικών ελατών χυτοσιδήρων και των εμβαπτισμένων και βαμμένων χαλύβων. 37

38 4. Σκοπός της εργασίας - Πειραματικές μετρήσεις Σκοπός της εργασίας είναι να αναδείξει την χρησιμότητα της αυξημένης κραμάτωσης του ελατού χυτοσιδήρου (>= 3.75%) με πυρίτιο με σκοπό: Τη δημιουργία ενιαίας μήτρας με 100% φερρίτη. Τη δημιουργία υλικού με ομοιομορφία στη σκληρότητα της δομής του. Την αύξηση του ορίου θραύσης, διαρροής και επιμήκυνσης. Τα βελτιωμένα τεχνικά χαρακτηριστικά στην μηχανουργική κατεργασία Η παρούσα εργασία αποσκοπεί στο να αναδείξει και να αποδείξει τα σημεία 1, 2 και 3, ενώ το σημείο 4 μπορεί να αποτελέσει θέμα μελλοντικής διπλωματικής εργασίας. Η παραγωγή των δοκιμίων εκτελέσθηκε στις εγκαταστάσεις του χυτηρίου της εταιρίας «Χυτήρια Μακεδονίας ΑΒΕΕ» με υλικά τα οποία επιλέχθηκαν προκειμένου να παραχθούν αξιόπιστα χυτά σύμφωνα με τις προδιαγραφές που αναφέρονται. 4.1 Περιγραφή του σχεδίου των δοκιμών-εργασίες Η διπλωματική εργασία ξεκίνησε με αρχικό σχέδιο τη διαμόρφωση χυτών δοκιμίων στα οποία εφαρμόσθηκαν οι αναφερόμενες ακολούθως μηχανικές και λοιπές δοκιμές. Σχέδιο δοκιμών 1) Χύτευση 12 δοκιμίων ποιότητας Α (ISO GJS ) 1.1). Χύτευση 6 δοκιμίων ποιότητας Α με 3,35% Si 2) Χύτευση 12 δοκιμίων ποιότητας Β (ISO GJS-500-7) 3) Χημική ανάλυση σε φασματογράφο 4) Μεταλλογραφικός έλεγχος Ένα δοκίμιο από Α Ένα δοκίμιο από Β 5) Μηχανικές ιδιότητες εφελκυσμός / σκληρότητα Τρία δοκίμια από Α Τρία δοκίμια από Β 6) Ομοιογένεια υλικού Σκληρομέτρηση τομής με Micro Vickers και HRB Δύο δοκίμιο από Α Δύο δοκίμιο από Β 7) Μελέτη των χαρακτηριστικών αστοχίας κατά τον εφελκυσμό με SEM/TEM 38

39 Για την πραγματοποίηση του σχεδίου αυτού χυτεύθηκαν 12 μπάρες ελατού χυτοσιδήρου ISO/EN GJS με προσδοκώμενη μέση χημική ανάλυση: C= % Si= % Mn= % P= % S= % Cu= % Mg=0.05% και 12 μπάρες ελατού χυτοσιδήρου ISO/EN GJS με προσδοκώμενη μέση χημική ανάλυση: C= % Si= % Mn=0.4% P=0.05% MAX S=0.02%MAX Cu= % Mg=0.05% Η διαδικασία προετοιμασίας των υλικών και χύτευσης εκτελέσθηκε ως εξής: 1ο βήμα- Κατασκευή καλουπιού-μοδέλλου και τήξη Αρχικά έγινε η κατασκευή καλουπιού (μοδέλλου) με 3 όμοια δοκίμια διαστάσεων 250 x 30 mm (Εικόνα 17). Δηλαδή επάνω σε πλάκα χύτευσης τοποθετήθηκαν 3 μοδέλλα, ώστε σε κάθε χύτευση ενός καλουπιού να παράγονται 3 χυτά. Έγινε τύπωση (κατασκευή) τεσσάρων τέτοιων καλουπιών, δηλαδή 3x4 = 12 δοκιμίων (2 επιπλέον δοκίμια για την περίπτωση σφάλματος). Εικόνα 17 : Μοδέλλο τριών δοκιμίων 39

40 Στη συνέχεια έγινε τήξη του μετάλλου σε επαγωγικό φούρνο (Εικόνα 18). Η σύνθεση της τήξης στο φούρνο περιλάμβανε τις εξής πρώτες ύλες: Πρωτόχυτη χελώνα Sorel περίπου 90% Καθαρός χάλυβας St.37 - St.50 περίπου 10 % Γραφίτη (κοκκομετρίας 1-3mm) 0,3-0,5 % (ανάλογα με τις απώλειες τήξης). Σιδηροπυρίτιο (75% Si) 3,5-4% (ανάλογα με τις απώλειες τήξης). Εικόνα 18: Επαγωγικός φούρνος προς τήξη του μετάλλου Εικόνα 19: Πρωτόχυτη Χελώνα Sorel 40

41 Εικόνα 20 : Καθαρός χάλυβας St.37 - St.50 Το βασικό μέταλλο μέσα στο φούρνο ( ισχύς 1000 KW, χωρητικότητα 1500 kg) είχε την ίδια σύνθεση με το τελικό εκτός από το ποσοστό του πυριτίου. Το ποσοστό του πυριτίου στο βασικό μέταλλο ήταν ~ 2,65% Si. Αυτό γίνεται πάντα κατά την παραγωγή ελατού χυτοσιδήρου, διότι η σφαιροποίηση και ο εμβολιασμός προσθέτουν περίπου 0,75 και 0,35% Si αντίστοιχα στο ποσοστό πυριτίου του βασικού μετάλλου. Έτσι, το ποσοστό του Si στο τελικό μέταλλο είναι : 2,65+0,75+0,35 = 3,75%. Να σημειωθεί ότι βασικό λέγεται το μέταλλο πριν τη σφαιροποίηση και τον εμβολιασμό. Επίσης, η θερμοκρασία του βασικού μετάλλου ήταν 1450 С. 41

42 2ο βήμα Σφαιροποίηση και εμβολιασμός Η μέθοδος σφαιροποίησης που χρησιμοποιήθηκε αποτελεί την καθιερωμένη μέθοδο παραγωγής του χυτηρίου και είναι η Tundish Method ( Εικόνα 21). Εικόνα 21 : Κάδος σφαιροποίησης/εμβολιασμού Tundish Η διαδικασία αυτή προβλέπει τη χρήση ενός κάδου σφαιροποίησης και εμβολιασμού 250kg. Τα υλικά σφαιροποίησης Elmag 5800 και εμβολιασμού Barinoc inoculant τοποθετούνται στον πάτο του κάδου σκεπάζονται με μια λεπτή λαμαρίνα 3 mm, ώστε να μην επιπλεύσουν κατά την κένωση του κάδου στην επιφάνεια του υγρού βασικού μετάλλου. Έπειτα, έγινε γρήγορο γέμισμα του κάδου από το φούρνο και άρχισε η σφαιροποίηση και ο εμβολιασμός του βασικού μετάλλου. Στη διαδικασία αυτή το υγρό μέταλλο «κοχλάζει», λόγω του βρασμού του μαγνησίου του σφαιροποιητικού υλικού Elmag

43 Όσο πιο έντονος είναι ο «κοχλασμός», τόσο καλύτερη ανάδευση προκαλείται στο τήγμα με αποτέλεσμα να προκύπτει πιο αποτελεσματική σφαιροποίηση και καλύτερος εμβολιασμός στο τελικό προϊόν. Στον Πίνακα 2 παρουσιάζεται η σύνθεση του Elmag 5800 και Barinoc inoculant: % Si % Mg % Ca % RE % Al Elmag 5800 σφαιροποιητικό ,55-6,15 0,8-1,2 0,85-1,15 1 max Barinoc inoculant εμβολιαστικό % Ba Μέγεθος υλικού 1-10 mm mm Πίνακας 2: Σύνθεση του σφαιροποιητικού και εμβολιαστικού υλικού. Τα δοκίμια χυτεύτηκαν με το τελικό μέταλλο από τον κάδο στα τρία καλούπια στους 1370 С περίπου. Έτσι, επιτεύχθηκαν οι ίδιες συνθήκες χύτευσης και τελικού προϊόντος αντίστοιχα. Δυο ώρες περίπου μετά την χύτευση τα καλούπια καταστράφηκαν για την παραλαβή των δοκιμίων με σκοπό τη μηχανουργική τους κατεργασία, σύμφωνα με το σχέδιο της Εικόνας 7. Τα ποσοστά προσθήκης σφαιροποιητικού και εμβολιαστικού επί του βασικού μετάλλου είναι 1,5-1,65% και 0,5% αντίστοιχα. Κατά την παραγωγή του βασικού και τελικού μετάλλου πραγματοποιήθηκαν οι απαραίτητοι ποιοτικοί έλεγχοι με όργανο θερμικής ανάλυσης (Εικόνα 22) για τα ποσοστά άνθρακα και πυριτίου καθώς και με όργανο φασματογράφου για την τελική χημική ανάλυση, η οποία παρατίθεται παρακάτω (Πίνακας 4 ). Επίσης, κατά την διαδικασία της τήξης πραγματοποιούνται από τον υπεύθυνο τήξης οι απαραίτητες μικρορυθμίσεις στη σύνθεση του μετάλλου στο φούρνο, λόγω των απωλειών τήξης. Δηλαδή γίνονται μικροπροσθήκες γραφίτη και κοινού σιδηροπυριτίου (75% Si μεγέθους mm). 43

44 Εικόνα 22: Όργανο θερμικής ανάλυσης Η θερμική ανάλυση είναι μια αξιόπιστη και χαμηλού κόστους μέθοδος που διασφαλίζει γρήγορα τον έλεγχο της ποιότητας του χυτοσιδήρου πριν την χύτευσή του. Βασίζεται στα στοιχεία του διαγράμματος σιδήρου άνθρακα και δίνει άμεσες πληροφορίες για την στερεοποίηση του χυτοσιδήρου. Επιτρέπει την ανάλυση του ισοδύναμου άνθρακα ( CEL=%C+%SI/4+%P/2), το ποσοστό άνθρακα (%C) και πυριτίου (%SI). Το πλεονέκτημα της θερμικής ανάλυσης είναι ότι το μέταλλο μπορεί να αναλυθεί πριν την χύτευση στην παραγωγή, διότι βρίσκουμε τα βασικά στοιχεία του, δηλαδή τον άνθρακα και το πυρίτιο πριν προχωρήσουμε στην χύτευση. Η θερμοανάλυση γίνεται θερμοηλεκτρικά με τη χρήση θερμοστοιχείου πακτωμένου σε κυάθιο (κύπελλο) κατασκευασμένο από χαλαζιακή άμμο (Εικόνα 23). Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 14 η καμπύλη ψύξης στερεοποίησης του μετάλλου καταγράφεται και το ΤL (θερμοκρασία liquidus) και ΤS (θερμοκρασία solidus) σημειώνεται με την αλλαγή της κλίσης της καμπύλης. Από το TL υπολογίζεται το CEL και το SC (saturated carbon). Όταν καταγραφεί το TS υπολογίζεται αμέσως το %C με αλγόριθμο και γνωστές τις παραμέτρους TS και TL. Το % Si υπολογίζεται με γνωστούς το TS και τον συντελεστή διόρθωσης correction factor K ( %P). 44

45 Εικόνα 23: Κυάθιο δειγματολειψίας από χαλαζιακή άμμο. Σχήμα 14 : Παράδειγμα ένδειξης από το όργανο θερμικής ανάλυσης, όπου μετρώνται τα ποσοστά άνθρακα, πυριτίου, CEL κλπ. 45

46 4.2 Δοκιμή εφελκυσμού Όταν ένα φορτίο είναι στατικό ή μεταβάλλεται σχετικά αργά με το χρόνο και εφαρμόζεται ομοιόμορφα σε μία κάθετη διατομή ή επιφάνεια ενός σώματος, η μηχανική του συμπεριφορά μπορεί να εξακριβωθεί με μία απλή δοκιμή τάσης παραμόρφωσης, η οποία στην περίπτωση των μετάλλων πραγματοποιείται, συνήθως, σε θερμοκρασίες δωματίου. Μια από τις πιο συνηθισμένες μηχανικές δοκιμές τάσης παραμόρφωσης είναι ο εφελκυσμός. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εύρεση διαφόρων μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Η δοκιμή σε εφελκυσμό περιλαμβάνει την πάκτωση ενός κατάλληλου δοκιμίου στις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού και τη φόρτησή του σε μονοαξονικό προοδευτικά αυξανόμενο φορτίο, μέχρι την τελική θραύση. Ως μηχανές εφελκυσμού [18] χρησιμοποιούνται διάφορες διατάξεις, οι οποίες μπορούν να εφαρμόσουν ελεγχόμενο εφελκυστικό φορτίο στα δοκίμια εφελκυσμού. Ακόμα μπορούν να μεταβάλλουν την ταχύτητα εφαρμογής του φορτίου και να μετρήσουν με ακρίβεια τις δυνάμεις, παραμορφώσεις και επιμηκύνσεις, οι οποίες παρουσιάζονται κατά την εκτέλεση της δοκιμής. Στην Εικόνα 24 (α και β) φαίνεται ένα τυπικό δοκίμιο και μια αναπαράσταση συσκευής που χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή εφελκυστικών δοκιμών τάσης παραμόρφωσης. Στην Εικόνα 25 παρουσιάζεται μια μηχανή εφελκυσμού. Για την εκτέλεση της δοκιμής απαιτείται η διαμόρφωση δοκιμίων (tensile specimen) συγκεκριμένης μορφής και διαστάσεων, προκειμένου τα λαμβανόμενα αποτελέσματα να είναι συμβατά με τις διεθνείς προδιαγραφές, οι οποίες καλύπτουν την εκτέλεση της δοκιμής αυτής (Εικόνα 26). Τα δοκίμια της δοκιμής εφελκυσμού μπορεί να είναι είτε κυλινδρικά, είτε επίπεδα (πλακώδη). 46

47 Εικόνα 24: α) Τυποποιημένο δοκίμιο εφελκυσμού με κυκλική διατομή, β) αναπαράσταση συσκευής εφελκυστικών δοκιμών τάσης-παραμόρφωσης. Εικόνα 25: Μηχανή εφελκυσμού Eικόνα 26: Δοκίμιο εφελκυσμού, ονοματολογία και μορφές πάκτωσης. Κατά την κλασσική δοκιμή σε εφελκυσμό, διαμορφώνεται μία καμπύλη, γνωστή ως καμπύλη μηχανικής τάσης μηχανικής παραμόρφωσης (engineering stress strain curve), από τις μετρήσεις των τιμών του εφαρμοζόμενου αξονικού φορτίου και 47

48 της επιμήκυνσης την οποία υφίσταται το καταπονούμενο δοκίμιο (σε σχέση πάντοτε με τις αρχικές του διαστάσεις). Ως μηχανική ή ονομαστική τάση σ (engineering/nominal stress), θεωρείται ο λόγος της τιμής του εφαρμοζόμενου φορτίου Ρ προς την αρχική επιφάνεια Α ο της κάθετης διατομής του κυλινδρικού δοκιμίου: σ = P / Ao (1) Ως μηχανική (ονομαστική) παραμόρφωση ε (strain) θεωρείται ο λόγος της επιμήκυνσης δ (δ = L L0) του αρχικού μήκους (gage length, L0) του δοκιμίου, προς την τιμή του αρχικού μήκους Lo: ε = δ / Lo (2) Στο Σχήμα 15 παρουσιάζεται μία παραμόρφωσης μέχρι το σημείο θραύσης. χαρακτηριστική συμπεριφορά τάσης Σχήμα 15 : Χαρακτηριστική συμπεριφορά τάσης-παραμόρφωσης μέχρι το σημείο θραύσης. Η παραπάνω καμπύλη χαρακτηρίζεται από δύο κρίσιμες περιοχές, όσον αφορά τη συμπεριφορά του υλικού, οι οποίες είναι η ελαστική και η πλαστική περιοχή. Η ελαστική περιοχή αντιστοιχεί στο ευθύγραμμο τμήμα, όπου το δοκίμιο καταπονείται ελαστικά και μετά την απομάκρυνση της τάσης επανέρχεται στις αρχικές του 48

49 διαστάσεις. Η πλαστική περιοχή αντιστοιχεί στο υπόλοιπο τμήμα μέχρι τη θραύση, κατα την οποία το δοκίμιο καταπονείται πλαστικά και μετά την απομάκρυνση της τάσης το δοκίμιο παρουσιάζει πλαστική παραμόρφωση - επιμήκυνση. Στον Πίνακα 3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις δοκιμές εφελκυσμού 9 δοκιμίων. Τα δοκίμια 1,2,3 και 4,5,6 αφορούν φερριτικούς ελατούς χυτοσιδήρους με περιεκτικότητα 3,75% και 3,35% Si αντίστοιχα και τα 7,8,9 αφορούν φερριτοπερλιτικό ελατό χυτοσίδηρο με 2,23% Si. Στην Εικόνα 7 (κεφάλαιο 2.3) φαίνεται το σχέδιο κατεργασίας των δοκιμίων. Αριθμός δοκιμίου F (kg) Aτελ. (mm2) σβ (kg/mml) Aαρχ. (mm2) σy (kg/mml) %δ επιμήκυνση , ,2 62,3 63,4 153,86 153,86 153,86 55,9 52,64 55, , ,8 56,3 52,7 153,8 153,8 153,8 37,7 37,7 37,06 21, , , ,5 153,8 153,8 153, ,5 7,5 8,2 7,8 Πίνακας 3: Αποτελέσματα δοκιμών εφελκυσμού φερριτικών και περλιτικών δοκιμίων. Επίσης, παρατηρείται ότι τα δοκίμια με 3,75% Si (1, 2 και 3) παρουσιάζουν μικρότερο ποσοστό επιμήκυνσης από τα δοκίμια με 3,35% Si (4, 5 και 6). Δηλαδή, τα τελευταία είναι πιο όλκιμα. Έτσι, όπως φαίνεται, το όριο διαρροής σy είναι μικρότερο στα δοκίμια 4, 5 και 6. Δηλαδή, η πλαστική περιοχή ξεκινάει νωρίτερα στα δοκίμια αυτά. Τα δοκίμια 7, 8 και 9 έχουν το χαμηλότερο όριο θραύσης και διαρροής λόγω χαμηλού ποσοστού πυριτίου. Επιβεβαιώνεται ότι με την αύξηση του πυριτίου μειώνεται μεν η επιμήκυνση, αλλά αυξάνεται το όριο διαρροής και θραύσης του υλικού Σκληρομέτρηση Rockwell-Micro Vickers Δοκιμή σκληρότητας Rockwell Η μέτρηση αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο εφαρμόζεται ένα μικρό βάρος, η εφαρμογή του οποίου έχει σαν αποτέλεσμα ο διεισδυτής να διαπερνά τις επιφανειακές ανωμαλίες και να εισέρχεται στο κύριο σώμα του μετάλλου. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται η τυχαία διείσδυση, η οποία οδηγεί σε αλλοίωση του 49

50 αποτελέσματος. Κατά το δεύτερο στάδιο εφαρμόζεται και το υπόλοιπο βάρος της κλίμακας, οπότε ο διεισδυτής προχωρεί στο τελικό του βάθος μέσα στο μέταλλο και έτσι η απαιτούμενη προπαρασκευή επιφάνειας μειώνεται στο ελάχιστο. Αυτό είναι από τα σημαντικά πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής σε σχέση με τις άλλες μεθόδους. Κατά τη δοκιμή σκληρότητας Rockwell [18,22] υπάρχουν 15 κλίμακες κανονικής σκληρομέτρησης και 15 κλίμακες για επιφανειακή σκληρομέτρηση. Ο τρόπος επιλογής της κλίμακας σκληρότητας καθορίζεται από τον τύπο του υλικού, το πάχος του δοκιμίου, τη θέση σκληρομέτρησης και από τους περιορισμούς κάθε κλίμακας. Η σημαντικότερη παράμετρος είναι το πάχος του δοκιμίου, το οποίο δεν πρέπει να είναι μικρότερο από το δεκαπλάσιο του βάθους διείσδυσης για το συγκεκριμένο υλικό. Η αρχή λειτουργίας της τεχνικής μέτρησης σκληρότητας κατά Rockwell με χρήση αδαμάντινου σφαιρο-κωνικού διεισδυτή γωνίας 120 φαίνεται στις Εικόνες 27 και 28. Εικόνα 27. Αρχή λειτουργίας της τεχνικής μέτρησης σκληρότητας κατά Rockwell. 50

51 Εικόνα 28. Σκληρομέτρηση Rockwell. Δοκιμή σκληρότητας Vickers Η μέθοδος σκληρομέτρησης κατά Vickers (Εικόνα 29) χρησιμοποιεί σαν διεισδυτή αδαμαντοπυραμίδα τετραγωνικής βάσης και γωνίας κορυφής 136. Η εντύπωση κατά τη σκληρομέτρηση αυτή έχει σχήμα τετραγώνου και με κατάλληλο μικροσκόπιο μετρούνται οι διαγώνιοί του. Η σκληρότητα Vickers (HV) [22,23] είναι ο αριθμός που προκύπτει από τον υπολογισμό του λόγου του εφαρμοζόμενου φορτίου προς την επιφάνεια του αποτυπώματος: 2 P sin (θ/2) HV = = 1,8544 Ρ / D2 D2 όπου Ρ το φορτίο (kgf), D το μήκος της διαγωνίου του αποτυπώματος (mm) και θ = 136ο (γωνία της αδαμάντινης αιχμής). Το D μετράται από διάταξη μικροσκοπίου με μικρόμετρο την οποία διαθέτει το σκληρόμετρο Vickers. H τιμή του οδηγεί στον υπολογισμό της επιφάνειας του αποτυπώματος. Συνήθως γίνεται χρήση πινάκων οι οποίοι αποδίδουν την τιμή σκληρότητας έχοντας μετατρέψει την τιμή της διαγωνίου σε εμβαδόν επιφάνειας αποτυπώματος, οπότε δεν απαιτείται ο υπολογισμός του εμβαδού του αποτυπώματος Κατά τη μέτρηση αυτή το πάχος του δοκιμίου δεν πρέπει να παρουσιάζει εξόγκωμα από την πίσω πλευρά της μέτρησης και το πάχος του να είναι τουλάχιστο 2,5 φορές το μήκος της διαγωνίου. Η μέθοδος σκληρομέτρησης κατά Vickers δίνει σε μια κλίμακα μετρήσεις σκληρότητας από μαλακά έως πολύ σκληρά υλικά με εφαρμογή ενός μόνο φορτίου, 51

52 σε αντίθεση με άλλες μεθόδους, όπου είναι απαραίτητο να αλλάζει είτε ο διεισδυτής είτε το φορτίο. Εικόνα 29: Αδαμαντοπυραμιδικός διεισδυτής τετραγωνικής βάσης με γωνία κορυφής 136 που χρησιμοποιείται κατά τη σκληρομέτρηση κατά Vickers. Η δοκιμή μικροσκληρομέτρησης Micro Vickers επιδιώκει τη διείσδυση ενός διεισδυτή από αδάμαντα συγκεκριμένης γεωμετρίας, στην επιφάνεια του δοκιμίου, υπό πολύ μικρό φορτίο κυμαινόμενο μεταξύ του 1 και του gf. Ο όρος μικροσκληρομέτρηση συνδέεται περισσότερο με το μέγεθος του αποτυπώματος παρά με την τιμή του φορτίου. H τιμή της σκληρότητας υπολογίζεται μετά από μέτρηση συγκεκριμένου γεωμετρικού χαρακτηριστικού του αποτυπώματος σε μικροσκόπιο. Προετοιμασία των δειγμάτων για σκληρομέτρηση και μεταλλογραφικό έλεγχο Σε πρώτο στάδιο έγιναν δοκιμές στον ελατό χυτοσίδηρο τύπου ΕN-GJS (ποιότητα Α) και έπειτα στον τύπο ΕN-GJS (ποιότητα Β). Αρχικά ετοιμάστηκε το δοκίμιο, δηλαδή πέρασε από τη διαδικασία του εγκιβωτισμού σε βακελίτη σε πρέσσα εγκιβωτισμού (Εικόνα 30), της λείανσης με σμυριδόχαρτα διαφόρων κατηγοριών (από χοντρόκοκκο σε λεπτόκοκκο) και της στίλβωσης (Εικόνες 31). Στη συνέχεια ετοιμάστηκε ένα διάλυμα 3% Nital ( νιτρικό οξύ και μεθυλική αλκοόλη), στο οποίο βυθίστηκε το δοκίμιο για περίπου 30 δευτερόλεπτα, έτσι ώστε να γίνει ο μεταλλογραφικός έλεγχος της μήτρας του χυτοσιδήρου, δηλαδή του φερρίτη. Αν δεν πραγματοποιηθεί το τελευταίο στάδιο δεν φαίνεται στο μικροσκόπιο ο φερρίτης και τα όρια των κόκκων, παραμόνο οι σφαίρες γραφίτη. 52

53 Εικόνα 31 : Πρέσσα εγκιβωτισμού. Εικόνα 32: Μηχανές στίλβωσης και λείανσης. 53

54 Στη συνέχεια, έγινε μεταλλογραφικός έλεγχος κατά μήκος της ακτίνας (15mm) του δοκιμίου, όπου λήφθησαν φωτογραφίες της δομής περίπου ανά 1 mm με οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο συνδεόμενο σε H/Y (Εικόνα 33). Εικόνα 33: Οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο Olympus. Επίσης, έγινε σκληρομέτρηση Micro-vickers κατά μήκος της ακτίνας του δοκιμίου ανά μισό χιλιοστό περίπου σε φορτίο 300 gf. Λήφθησαν 20 τιμές. Η διακύμανση των τιμών φαίνεται στο Σχήμα 16. Οι τιμές κυμαίνονται από HV. Παρατηρείται επίσης ότι η μικρο-σκληρότητα είναι σταθερή κυρίως από τη μέση περίπου της ακτίνας μέχρι την περιφέρεια. Σχήμα 16 : Σκληρομέτρηση micro-vickers κατά μήκος της ακτίνας του δοκιμίου ποιότητας Α. 54

55 Εικόνα 34: Μηχανή μικροσκληρομέτρησης Micro-vickers. Παρακάτω φαίνονται οι καμπύλες μικρο-σκληρομέτρησης σε ένα δοκίμιο φ/π τόσο στον φερρίτη όσο και στον περλίτη. Οι δοκιμές έγιναν σε δοκίμιο ορθογωνικής διατομής Σχήμα 17. Λήφθηκαν 5 μετρήσεις στην αριστερή πλευρά (Θέση 1) του δοκιμίου και 5 στην δεξιά πλευρά (Θέση 2). Θέση Θέση 2 Σχήμα 17 : Δοκίμιο ποιότητας Β (φερριτοπερλιτικό) ορθογωνικής διατομής 55

56 Σχήμα 18 : Σκληρομέτρηση Micro-Vickers ποιότητας Β τόσο του περλίτη όσο και του φερρίτη. Η σκληρομέτρηση έγινε κατά μήκος δύο θέσεων. Όπως παρατηρείται από το διάγραμμα οι τιμές του περλίτη κυμαίνονται από HV, ενώ του φερρίτη από HV. Η τιμή 250 HV για τον περλίτη στη θέση 2 είναι πολύ χαμηλή και πιθανόν σε εκείνο το σημείο που έγινε η μικροσκληρομέτρηση να υπήρχε ακριβώς κάτω από τον περλίτη φερρίτης. Αντίστοιχα και η τιμή 300 HV γαι τον φερρίτη στη θέση 1 είναι υψηλή. Πιθανόν και σε αυτό το σημείο κάτω από τον φερρίτη να υπήρχε περλίτης. Ομοίως, έγινε σκληρομέτρηση Rockwell Β κατά μήκος της ακτίνας των δοκιμίων ποιότητας Α και Β. Οι τιμές των δοκιμών παρουσιάζονται στο Σχήμα 19. Σχήμα 19 : Σκληρομέτρηση Rockwell Β για δείγματα ποιότητατας Α (3,75% Si) και ποιότητας Β (2,21% Si). 56

57 Στα δοκίμια ποιότητας Α παρατηρείται μεγαλύτερη σκληρότητα συγκριτικά με τα δοκίμια ποιότητας Β, λόγω της μεγαλύτερης περιεκτικότητας σε πυρίτιο. Αξιοσημείωτη είναι η ομοιομορφία των τιμών σκληρότητας των δοκιμίων ποιότητας Α κατά μήκος της ακτίνας των δοκιμίων που έγιναν οι μετρήσεις. Στην Εικόνα 35 φαίνεται η μηχανή σκληρομέτρησης Rockwell με την οποία έγιναν οι δοκιμές. Εικόνα 35: Μηχανή σκληρομέτρησης Rockwell. 57

58 4.2.2 Φασματοσκοπική χημική ανάλυση Η χημική ανάλυση των δειγμάτων έγινε σε φασματοφωτόμετρο (metal spectrometer) τύπου «spectro» γερμανικής κατασκευής (Εικόνα 36) σε πρόγραμμα ελέγχου 15 στοιχείων συμπεριλαμβανομένου και του σιδήρου. Τα αποτελάσματα του ελέγχου των μετρήσεων παρουσιάζονται στον Πίνακα 4. 58

59 Πίνακας 4 : Αποτελέσματα φασματοσκοπικής χημικής ανάλυσης 59

60 Εικόνα 36: Φασματοφωτόμετρο (metal spectrometer) τύπου «spectro». 60

61 4.2.3 Μεταλλογραφικός έλεγχος Η δομή κατάλληλου δείγματος χυτοσιδήρου εξετάστηκε σε οπτικό μικροσκόπιο και διαπιστώθηκε ότι αποτελείται από 100% φερρίτη και σχεδόν τέλειες σφαίρες γραφίτη ομοιόμορφα διάσπαρτες και κατανεμημένες στην μήτρα του υλικού. Η πυκνότητα των σφαιρών εκτιμήθηκε με τη βοήθεια συγκριτικών πινάκων σε μεγένθυση 100Χ σε 250 σφαίρες/mm2 (Nodules per mm2). Παρακάτω φαίνονται κάποιες από τις εικόνες του μεταλλογραφικού ελέγχου. Μία κοντά στο κέντρο του δοκιμίου (Εικόνα 37), μία κοντά στη μέση της ακτίνας (Εικόνα 38) και μία στην περιφέρεια (Εικόνα 39). Εικόνα 37 : Μεταλλογραφική δομή φερριτικού ελατού χυτοσιδήρου. 500X Nital 3% (κοντά στο κέντρο του δοκιμίου). Εικόνα 38: Μεταλλογραφική δομή φερριτικού ελατού χυτοσιδήρου. 500X Nital 3% (περίπου στη μέση της ακτίνας του δοκιμίου). 61

62 Εικόνα 39: Μεταλλογραφική δομή φερριτικού ελατού χυτοσιδήρου. 500X Nital 3% (κοντά στην περιφέρεια του δοκιμίου). Όπως φαίνεται και στις τρεις εικόνες δεν διακρίνονται ουσιαστικές διαφορές στη μικροδομή του υλικού. Τόσο το μέγεθος των κόκκων, όσο και των σφαιρών διατηρείται σταθερό κατά μήκος της ακτίνας του δοκιμίου. Επομένως, εφόσον το υλικό (ποιότητας Α) παρουσιάζει ομοιογένεια στη μικροδομή, θα διακρίνεται και από τη σταθερότητα των μηχανικών του ιδιοτήτων. Πρέπει να σημειωθεί ότι σε κανένα μεταλλογραφικό δείγμα των δοκιμών δεν υπήρξε η παραμικρή παρουσία περλίτη όπως άλλωστε και αναμενόταν. Τα υψηλά ποσοστά του πυριτίου σταθεροποίησαν απόλυτα την παρουσία μόνον του φερρίτη. Μεταλλογραφικός έλεγχος έγινε και σε δοκίμιο ποιότητας Β, όπως φαίνεται στο Σχήμα 17. Εικόνα 40: Φωτογραφίες από τη Θέση 1 του φερριτοπερλιτικού δοκιμίου 500Χ. 62

63 Εικόνα 41: Φωτογραφίες από τη Θέση 2 του φερριτοπερλιτικού δοκιμίου 500Χ. Φαίνεται ο φερρίτης γύρω από τις σφαίρες γραφίτη. Δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές ανάμεσα στις δύο θέσεις του δοκιμίου. 63

64 4.2.4 Mετρήσεις SEM Στα δοκίμια που εξετάζονται έγινε ακόμη έλεγχος SEM για δύο διαφορετικούς λόγους: 1. Στο φερριτικό δοκίμιο υψηλού πυριτίου (3,75% πυρίτιο) έγινε χημική ανάλυση (SEM/EDS) κατά μήκος της ακτίνας του δοκιμίου με σκοπό τον έλεγχο ομοιομορφίας του ποσοστού πυριτίου στη φάση του φερρίτη. 2. Σε δοκίμια (φερριτικό υψηλού πυριτίου, φερριτοπερλιτικό και περλιτικό) εφελκυσμού, στην επιφάνεια θραύσης έγινε έλεγχος τοπογραφίας επιφάνειας για την σύγκριση του τρόπου αστοχίας του φερρίτη κατά μήκος της ακτίνας σε κάθε περίπτωση. Η Εικόνα 42 δείχνει την επιφάνεια θραύσης από το δοκίμιο εφελκυσμού. Παρατηρείται ότι η επιφάνεια θραύσης έχει δύο ζώνες-περιοχές. Μία σκουρόχρωμη ζώνη που είναι στο κεντρο του δοκιμίου και μία ανοιχτόχρωμη που είναι στην περιφέρεια. Η σκουρόχρωμη αντιστοιχεί στην όλκιμη περιοχή, ενώ η ανοιχτόχρωμη στην ψαθυρή. Το συμπέρασμα αυτό βγήκε αφ ενός από το γεγονός ότι θραύση επιτυγχάνεται από το κέντρο προς την περιφέρεια και αφ ετέρου από το γεγονός ότι η όλκιμη θραύση συνδέεται με συννένωση μικροκενών (δημιουργία θυλάκων), ενώ η ψαθυρή σχετίζεται με επιφάνειες αποχωρισμού. Οι τελευταίες επειδή είναι απότομες και επίπεδες δημιουργούν αντανακλάσεις στο φως και έτσι εξηγείται η ανοιχτόχρωμη ζώνη. Οι θέσεις 1, 2, 3 και 4 αναφέρονται στις θέσεις που λήφθηκαν οι φωτογραφίες και παρουσιάζονται παρακάτω. Θέση 2 Θέση 3 Θέση 4 Θέση 1 Εικόνα 42: Το δοκίμιο θραύσης για τον έλεγχο SEM της τοπογραφίας επιφάνειας. Οι θέσεις αντιστοιχούν στις θέσεις που λήφθηκαν οι φωτογραφίες. 64

65 Παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από το SEM για την τοπογραφία της επιφάνειας θραύσης. Οι τρεις φωτογραφίες αντιστοιχούν σε ένα φερριτικό δοκίμιο με 3,75% πυρίτιο, σε ένα φερριτοπερλιτικό και ένα περλιτικό. Φερριτικό δοκίμιο Φερριτοπερλιτικό δοκίμιο Περλιτικό δοκίμιο Εικόνα 43: Επιφάνειες θραύσης στη θέση 1 65

66 Φερριτικό δοκίμιο Φερριτοπερλιτικό δοκίμιο Περλιτικό δοκίμιο Εικόνα 44: Επιφάνειες θραύσης στη θέση 2 66

67 Φερριτικό δοκίμιο Φερριτοπερλιτικό δοκίμιο Περλιτικό δοκίμιο Εικόνα 45: Επιφάνειες θραύσης στη θέση 3 67

68 Φερριτικό δοκίμιο Φερριτοπερλιτικό δοκίμιο Περλιτικό δοκίμιο Εικόνα 46: Επιφάνειες θραύσης στη θέση 4 68

69 Η βιβλιογραφική πληροφόρηση εισηγείται ότι στα δοκίμια εφελκυσμού μονοτονικής καταπόνησης μετάλλων της μελετώμενης κατηγορίας, η πορεία αστοχίας είναι από το κέντρο του δοκιμίου (όπου αρχίζει ο μηχανισμός συνένωσης μικροκενών της όλκιμης συμπεριφοράς) προς την περιφέρειά του (όπου τελικά επικτρατεί ψαθυρή συμπεριφορά). Οπως παρατηρείται μακροσκοπικά στα δοκίμια εφελκυσμού, και στα τρια δοκίμια υπάρχουν δύο διάκριτες ζώνες αστοχίας, η εσωτερική και η περιφερειακά εξωτερική. Οι θέσεις παρατήρησης επιλέχθηκαν με τους αριθμούς 1, 2 (στην εξωτερική ζώνη) και 3, 4 (στην εσωτερική). Στο φερριτικό δοκίμιο υψηλού πυριτίου στη θέση 1 υπάρχουν χαρακτηριστικά ψαθυρής συμπεριφοράς με την επιφάνεια αστοχίας να εμφανίζει μορφή rock candy (ισοαξονικοί κόκκοι που διαχωρίσθηκαν χωρίς συνένωση μικροκενών) και κατά δεύτερο λόγο επιφάνειες αποχωρισμού (cleavage). Στη θέση 2 συνεχίζεται η ψαθυρή συμπεριφορά, αλλά από πλευράς μορφολογίας επιφάνειας επικρατεί ο αποχωρισμός με παρουσία των river patterns κατά θέσεις. Στη θέση 3 έχει γίνει μετάβαση προς όλκιμη συμπεριφορά, αλλά η συνένωση μικροκενών (θύλακες) είναι λίγο εμφανής, ενώ οι επιφάνειες παρουσιάζουν έντονα χαρακτηριστικά πλαστικής παραμόρφωσης. Στη θέση 4 παρατηρείται εξέλιξη της όλκιμης συμπεριφοράς με θέσεις συνένωσης μικροκενών περισσότερες σε σχέση με τη θέση 3. Στο φερριτοπερλιτικό δοκίμιο στη θέση 1 και θέση 2 υπάρχουν τυπικά χαρακτηριστικά αποχωρισμού με επιφάνειες αποχωρισμού και κατά θέση river patterns χωρίς να μπορεί να γίνει κάποια ουσιαστική διάκριση μεταξύ τους. Στις θέσεις 3 και 4 υπάρχει η παρουσία θυλάκων δείγμα του μηχανισμού συνένωσης μικροκενών της όλκιμης συμπεριφοράς. Στο περλιτικό δοκίμιο στις θέσεις 1 και 2 υπάρχουν επιφάνειες αποχωρισμού ένδειξη της ψαθυρής συμπεριφοράς, αλλά στη θέση 2 οι επιφένεις αυτές δείχνουν περισσότερο κατακερματισμένες σε σχέση με τη θέση 1. Στις θέσεις 3 και 4 υπάρχουν σε μικρή έκταση θύλακες αλλά υπάρχει κεντρικό χαρακτηριστικό ρήγματος διαχωρισμού, δείγμα επίσης ψαθυρής συμπεριφοράς 69

70 Χημική ανάλυση Η χημική ανάλυση έγινε κατά μήκος της ακτίνας του δοκιμίου (με περιεκτικότητα 3,75% πυρίτιο ) από το κέντρο προς την περιφέρεια. Η ανάλυση έγινε με SEM/EDS με τον εξής τρόπο: λήφθηκαν περίπου 11 φωτογραφίες και το μηχάνημα ανέλυε στην κάθε φωτογραφία το μέσο όρο της σύνθεσης του υλικού. Έτσι, προέκυψαν τα αποτελέσματα για την περιεκτικότητα του πυριτίου. Παρακάτω φαίνεται το διάγραμμα από τις τιμές της περιεκτικότητας του πυριτίου κατά μήκος της ακτίνας του δοκιμίου (Σχήμα 20). Σχήμα 20: Διακύμανση περιεκτικότητας πυριτίου κατά μήκος του δοκιμίου (ποιότητας Α) Όπως φαίνεται και από το διάγραμμα παρατηρείται μια ομοιομορφία στις τιμές της περιεκτικότητας του πυριτίου από τη μέση της ακτίνας προς την περιφέρεια. Οι τιμές κυμαίνονται απο 2,5 μέχρι 3,5 %. Το γεγονός ότι το ποσοστό του Si είναι < 3,75% στο φερρίτη οφείλεται στη δημιουργία σύνθετων πυριτικών ενώσεων (silicates) κατά την πυρηνοποίηση και σφαιροποίηση. Οι ενώσεις του πυριτίου (ή του αλουμινίου) λειτουργούν ως φύτρα για την έναρξη της πυρηνοποίησης. Επομένως το Si υπάρχει σε κάποια ποσοστά και μέσα στον πυρήνα του γραφίτη και έτσι το ποσοστό πυριτίου στο φερρίτη δεν αντιπροσωπεύει τη μέση χημική σύνθεση του στοιχείου στον ελατό χυτοσίδηρο.. 70

71 . Εικόνα 47: Σχηματική αναπαράσταση της δημιουργίας του γραφίτη με πυρηνοποίηση ενώσεων πυριτίου (silicates) στη σφαίρα του γραφίτη. 71

72 4.2.5 Μετρήσεις TEM H Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διερχόμενης Δέσμης (ΤΕΜ) χρησιμοποιήθηκε για εμβάθυνση στο φαινόμενο της πλαστικής παραμόρφωσης κατά τη δοκιμασία εφελκυσμού του ελατού χυτοσιδήρου υψηλού πυριτίου. Σε ένα από τα δοκίμια εφελκυσμού, με χρήση μικροτόμου αδιατάρακτης κοπής δείγματος, έγινε αφαίρεση λεπτής τομής υλικού σε δυό χαρακτηριστικές περιοχές: Ακριβώς δίπλα στην επιφάνεια αστοχίας, δηλαδή σε περιοχή με τη μεγαλύτερη δυνατή πλαστική παραμόρφωση (Εικόνα 48). Σε θέση 10 mm μακρυά από την επιφάνεια αστοχίας, δηλαδή σε περιοχή με ήπια σχετικά πλαστική παραμόρφωση (Εικόνα 49). Οι δύο λεπτές αδιατάρακτες τομές υπέστησαν την κατάλληλη επεξεργασία στη Μονάδα Αναλυτικών Υπηρεσιών (ΜΑΥ) του ΕΚΕΤΑ/ΙΤΧΗΔ μέχρι του επιπέδου δημιουργίας λεπτής περιοχής κατάλληλης για εφαρμογή της διέλευσης ηλεκτρονίων. Στις περιοχές αυτές έγινε πείραμα διέλευσης ηλεκτρονίων του ΤΕΜ και ελήφθησαν φωτογραφίες σε διάφορες κατάλληλες θέσεις. Επίσης εκτελέσθηκαν χημικές αναλύσεις με την τεχνική EDS σε διάφορα σημεία των δειγμάτων. Διαδικασία προετοιμασίας των δειγμάτων Για τις παρατηρήσεις ΤΕΜ στο επίπεδο του δείγματος (plan view), έγινε κόψιμο του υλικού σε τετράγωνο σχήμα με διαστάσεις περίπου 3x3 mm. Η κοπή του υλικού γίνεται σε συσκευή κοπής με διαμαντοτροχό ακριβείας. Κατόπιν έγινε επικόλληση του κομμένου κομματιού σε βάση τριψίματος με κόλλα διαλυτή σε ακετόνη ή χαμηλού σημείου τήξης, ώστε να λιώνει με θέρμανση κάτω από τους 100 οc. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μηχανική λείανση του κομματιού σε κατάλληλη βάση λείανσης, με μικρομετρικό έλεγχο του ύψους. Η λείανση γίνεται με χρήση γυαλόχαρτων με διάφορα μεγέθη κόκκων, αναλόγως της σκληρότητας του υλικού που θέλουμε να μελετήσουμε, ξεκινώντας τη λείανση από τα πιο χονδρόκοκκα. Στα τελευταία στάδια της λείανσης χρησιμοποιούμε αρκετά λεπτόκοκκα γυαλόχαρτα και πολύ αργούς ρυθμούς λείανσης. Το επιθυμητό πάχος του δείγματος, μετά από τη διεργασία αυτή μπορεί να φτάσει τα μm, ανάλογα και με το υλικό. Στο πέρας της μηχανικής λείανσης, έγινε γυάλισμα του δείγματος χρησιμοποιώντας κατάλληλες σκόνες Al2O3, με διαφορετικό μέγεθος κόκκων επίσης. Η διαδικασία τελειώνει όταν η επιφάνεια του δείγματος είναι πλήρως λεία (mirror-like surface). Το τελικό σταδίο προετοιμασίας περιλαμβάνει λείανση του δείγματος με δέσμη ιόντων από αδρανές αέριο συνήθως είναι δέσμη ιόντων Ar. Η διεργασία αυτή λαμβάνει χώρα σε συσκευή δημιουργίας υψηλού κενού και ταυτόχρονης παραγωγής και διευθέτησης της δέσμης των ιόντων Ar, ώστε να επιτυγχάνεται η προστασία του δείγματος από οξείδωση ή/και εμφύτευση ξένων ιόντων από τη δέσμη. 72

73 Η δέσμη των ιόντων απομακρύνει στρώματα του υλικού ελαττώνοντας σταδιακά το πάχος του και τελικώς δημιουργεί μία τρύπα στο δείγμα, το χείλος της οποίας είναι διαφανές στη δέσμη των ηλεκτρονίων του ΤΕΜ. Με τη διεργασία αυτή, το δείγμα μπορεί να φτάσει σε πάχος έως και μερικά νανόμετρα και να καταστεί έτσι κατάλληλο και για παρατηρήσεις HRTEM. Οι παρατηρήσεις ΤΕΜ/HRTEM έλαβαν χώρα στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διερχόμενης δέσμης υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRTEM) JEOL JEM 2011 της ΜΑΥ στο ΙΤΧΗΔ/ΕΚΕΤΑ. Το μικροσκόπιο έχει σημειακή διακριτική ικανότητα 0.23 nm, ενώ είναι εξοπλισμένο και με ανιχνευτή φασματοσκοπίας ακτίνων Χ ενεργειακής διασποράς (X-ray EDS) για τη χημική ανάλυση των δειγμάτων. Τα δείγματα τοποθετήθηκαν σε πολλαπλό δειγματοφορέα απλής κλίσης. Για την ανάδειξη των δομικών χαρακτηριστικών των δειγμάτων πραγματοποιήθηκαν τόσο πειράματα περίθλασης ηλεκτρονίων, όσο και παρατηρήσεις σε συνθήκες δύο δεσμών (two-beam conditions), χρησιμοποιώντας τις ανακλάσεις τύπου {111} του ελατού χυτοσιδήρου υψηλού πυριτίου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων παρουσιάζονται στις Εικόνες 48 και 49, όπου φαίνεται η μορφολογία και τα δομικά σφάλματα των δύο δοκιμίων κοντά στην αστοχία και μακριά από αυτή, αντίστοιχα. Είναι φανερή η αυξημένη συγκέντρωση δομικών ατελειών στην περιοχή κοντά στην αστοχία, σε σχέση με την περιοχή μακριά αυτής. Κάποιες χαρακτηριστικές ατέλειες σημειώνονται με λευκά βέλη στην Εικόνα 48 και τα πειράματα ΤΕΜ έδειξαν ότι προκειται για εξαρμόσεις (dislocations). Χημική ανάλυση Η χημική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο EDS στα δύο αυτά δείγματα ΤΕΜ, έδειξε την αυξημένη συγκέντρωση ορισμένων προσμίξεων σε διακριτές περιοχές του δείγματος κοντά στην αστοχία. Πιο αναλυτικά, σε περιοχές του δείγματος αυτού ανιχνεύτηκαν αυξημένες συγκεντρώσεις κυρίως μαγνησίου (Mg), σε αναλογία έως και 5% κατ άτομο ως προς το σίδηρο (Mg/Fe=5 at%), ενώ η συνήθης αναλογία ήταν κάτω του 1% στην πλειονότητα των περιοχών που εξετάστηκαν. Οι υπόλοιπες προσμίξεις που ανιχνεύτηκαν με την EDS στα δύο δείγματα περιλαμβάνουν κυρίως πυρίτιο και σε αρκετά μικρότερα ποσοστά, φώσφορο (P), κάλιο (K), χαλκό (Cu), μαγγάνιο (Mg) και αλουμίνιο (Al). 73

74 Εικόνα 48: ΤΕΜ κοντά στην αστοχία Εικόνα 49: ΤΕΜ μακριά από την αστοχία 74

75 5. Σχολιασμός δοκιμών - Ανάλυση μελέτης Η φιλοσοφία εκτέλεσης της διπλωματικής εργασίας βασίσθηκε στην κεντρική παρατήρηση ότι τα τελευταία χρόνια επιχειρείται η ανάπτυξη χυτών ελατού χυτοσιδήρου, στους οποίους η μικροδομή της μεταλλικής μήτρας θα είναι καθαρά φερριτική αλλά θα έχει προηγηθεί τροποποίηση της χημικής του σύστασης με προσθήκη μεγαλύτερης περιεκτικότητας σε Si (3,5% μέχρι 4%) από ότι στους κλασικούς, οι οποίοι καλύπτονται από την προδιαγραφή ISO/EN-GJS Μετά την κατηγορία αυτή υπάρχει η ποιότητα ISO/EN-GJS καθαρά περλιτικής μικροδομής (Πίνακας 5). Η προσπάθεια της επιστημονικής κοινότητας εστιάζεται στην ανάπτυξη χυτών τα οποία θα διατηρούν την υψηλή μηχανική αντοχή αλλά παράλληλα και την επιμήκυνση σε επίπεδα σχετικά υψηλά. Οι τιμές κάτω του 7% δεν είναι ανταγωνιστικές στην προσπάθεια υποκατάστασης των χυτοχαλύβων από ελατούς χυτοσιδήρους στις εφαρμογές. Απαιτείται τιμή μεγαλύτερη ακόμη και του 10% για να δωθεί περιθώριο στο μηχανικό σχεδιασμού να τον επιλέξει έναντι των χυτοχαλύβων. Αυτό θα έχει μεγάλες θετικές επιπτώσεις και στο κόστος των προϊόντων. Ο πίνακας αυτός του ΕΝ 1563 είναι του 2002 και δεν έχει εκδοθεί νεώτερη φόρμα της προδιαγραφής αυτής. Η επιστημονική κοινότητα βρίσκεται στην προσπάθεια ανάπτυξης φερριτικών χυτοσιδήρων υψηλού πυριτίου κατά τα τελευταία 5 6 χρόνια. Η προδιαγραφή ISO/EN-GJS , που καλύπτει αυτά τα υλικά, βρίσκεται στις τεχνικές επιτροπές της ΕΕ για επεξεργασία τα τελευταία 5 χρόνια. Πρόκειται σύντομα, όταν συμφωνήσουν στην ΕΕ, να τυποποιηθεί ως ΕΝ μεταξύ των κατηγοριών και Στα πλαίσια της εργασίας επιχειρήθηκε η χύτευση ελατού χυτοσιδήρου με πρώτες ύλες τον πρωτόχυτο χυτοσίδηρο Sorelmetal κατά 90% και scrap κοινών ανθρακούχων χαλύβων κατά 10% σε συνθήκες παραγωγής χυτηρίου και όχι εργαστηριακού φούρνου. Από τον Πίνακα 3 αποτελεσμάτων της δοκιμής εφελκυσμού τα δοκίμια με 3,75% Si (1, 2 και 3) παρουσιάζουν μικρότερο ποσοστό επιμήκυνσης από τα δοκίμια με 3,35% Si (4, 5 και 6). Δηλαδή, τα τελευταία είναι πιο όλκιμα. Έτσι, όπως φαίνεται, το όριο διαρροής σy είναι μικρότερο στα δοκίμια 4, 5 και 6. Δηλαδή, η πλαστική περιοχή ξεκινάει νωρίτερα στα δοκίμια αυτά. Τα δοκίμια 7, 8 και 9 έχουν το χαμηλότερο όριο θραύσης και διαρροής λόγω χαμηλού ποσοστού πυριτίου. Επιβεβαιώνεται ότι με την αύξηση του πυριτίου μειώνεται μεν η επιμήκυνση, αλλά αυξάνεται το όριο διαρροής και θραύσης του υλικού. Οσον αφορά τη μικροσκληρομέτρηση Vickers στην ποιότητα Α oι τιμές για το φερρίτη κυμαίνονται από HV (Σχήμα 16). Παρατηρείται επίσης ότι η μικροσκληρότητα είναι σταθερή κυρίως από τη μέση περίπου της ακτίνας του κυλινδρικού δοκιμίου μέχρι την περιφέρεια. Στο Σχήμα 18 η μικροσκληρότητα του φερρίτη της ποιότητας Β είναι χαμηλότερη αυτής της ποιότητας Α. Όπως παρατηρείται από το διάγραμμα οι τιμές του περλίτη 75

76 κυμαίνονται από HV, ενώ του φερρίτη από χαμηλότερες τιμές από ότι της ποιότητας Α. HV αλλά σε Ομοίως, έγινε σκληρομέτρηση κατά την κλίμακα Rockwell Β κατά μήκος της ακτίνας των δοκιμίων ποιότητας Α και Β. Είναι εμφανής η διαφορά στις τιμές με την παρουσία του Si να ανυψώνει την τιμή της σκληρότητας. 6. Τελικά Συμπεράσματα Η διαδικασία παραγωγής ελατού χυτοσιδήρου υψηλού πυριτίου σε χυτηριακό επίπεδο και με τις λεπτομέρειες που αναφέρθηκαν αναλυτικά στα κείμενα ήταν σε μεγάλο βαθμό επιτυχής. Τα υλικά επέδειξαν μηχανική συμπεριφορά με ανεβασμένες τις τιμές της αντοχής εφελκυσμού (διαρροή και τάση θραύσης), ενώ παράλληλα διατήρησαν τα επίπεδα ολκιμότητας με την επιμήκυνση να παραμένει σε συγκρίσιμα επίπεδα (πάνω από 10%). Ο μηχανισμός προώθησης της πλαστικής παραμόρφωσης στην περιοχή του λαιμού αναδείχθηκε από τις μετρήσεις TEM να εκτελείται με συγκέντρωση γραμμοαταξιών στα όρια κόκκων του φερρίτη. Η εικόνα αυτή δεν υπάρχει στο δείγμα σε απόσταση 1 cm από την επιφάνεια θραύσης. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά συνοδεύονται από σημαντικές συγκεντρώσεις Mg κατά θέσεις στο φερρίτη (της τάξεως του 5% έναντι κάτω του 1% σ όλες τις άλλες θέσεις). Τα δύο τελευταία χαρακτηριστικά προτείνεται να υποστούν περαιτέρω επιστημονική επεξεργασία και να συνδεθούν, όσο αυτό είναι δυνατόν με το μηχανισμό αστοχίας. Είναι δηλαδή πολύ πιθανό η κίνηση των γραμμοαταξιών προς τα όρια των κόκκων κατά τη στιγμή της δοκιμασίας εφελκυσμού να διευκολύνεται από την ταυτόχρονη σώρρευση του Mg κατά περιοχές. Η κίνηση του Mg μπορεί να ενθαρρύνεται από τη θερμότητα, η οποία τοπικά αδιαβατικά συνοδεύει το φαινόμενο. 76

77 Πίνακας 5: Η προδιαγραφή ΕΝ Παράρτημα Α. Αρχές οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας 77

78 Α1.1 Οπτική Μικροσκοπία Μικροσκόπιο είναι μία διάταξη που μετατρέπει ένα αντικείμενο σε ένα είδωλο. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η περίπτωση που το είδωλο είναι μεγαλύτερο του αντικειμένου. Υπάρχουν διάφορες διατάξεις με τις οποίες είναι δυνατό να επιτευχθεί αυτή η μεγέθυνση. Υπάρχουν τρεις τρόποι με τους οποίους μπορεί να σχηματιστεί ένα είδωλο. Ο πιο απλός είναι η προβολή ενός ειδώλου. Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα είναι ο σχηματισμός σκιάς όταν ένα αντικείμενο τοποθετηθεί μπροστά από μία φωτεινή πηγή. Ένας δεύτερος τρόπος σχηματισμού ειδώλου είναι μέσω ενός συμβατικού φακού, όπως φαίνεται στο Σχήμα Α.1. Συνήθως η χρησιμοποιούμενη ακτινοβολία είναι φως οπότε τον φακό τον ονομάζουμε οπτικό, είναι όμως δυνατό να χρησιμοποιηθεί δέσμη ηλεκτρονίων οπότε ο φακός κατ αναλογία ονομάζεται ηλεκτροοπτικός. Σχήμα Α.1 :Διαγράμματα σχηματισμού ειδώλου από ένα κυρτό φακό εστιακής απόστασης f. Οι δύο αυτοί μέθοδοι σχηματισμού ειδώλου είναι παράλληλοι, δηλαδή όλα τα επιμέρους τμήματα του ειδώλου σχηματίζονται ταυτόχρονα. Ένας τρίτος τρόπος σχηματισμού ειδώλου είναι με σάρωση όπου το κάθε τμήμα του ειδώλου παρουσιάζεται σειριακά. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι η εικόνα της τηλεόρασης. Α.1.2 Το μεταλλογραφικό μικροσκόπιο (μεταλλογράφος) Στο Σχήμα Α.2 παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του μεταλλογραφικού μικροσκοπίου [24]. Τα επί μέρους τμήματά του και ο ρόλος του καθενός αναφέρονται στα ακόλουθα. 78

79 Ο αντικειμενικός φακός (objective) είναι το σπουδαιότερο κομμάτι του μικροσκοπίου, διότι καθορίζει την ποιότητα του μεγεθυνόμενου ειδώλου. Ελέγχει πέντε σπουδαίες ιδιότητες του οπτικού συστήματος του μικροσκοπίου: 1) Τη μεγέθυνση (magnification) η οποία είναι η κεντρική αποστολή του μικροσκοπίου και πραγματοποιείται σε δύο στάδια, από τον αντικειμενικό και τον προσοφθάλμιο φακό. Το μεγεθυμένο πραγματικό είδωλο (real image) δημιουργείται, αφού οι ακτίνες φωτός περάσουν μέσα από τον αντικειμενικό φακό, μέσα στο σωλήνα του οπτικού συστήματος σε κάποιο σημείο το οποίο αποκαλείται επίπεδο ειδώλου του προσοφθάλμιου φακού. Στο σημείο αυτό το είδωλο μεγεθύνεται άλλη μία φορά από τον προσοφθάλμιο φακό και υφίσταται παρατήρηση μέσω αυτού από το μάτι του παρατηρητή. Αυτό που στην πραγματικότητα βλέπει το μάτι είναι το εικονικό είδωλο (virtual image) το οποίο σχηματίζεται σε απόσταση 10 inch από αυτό. Κάθε φορά που το είδωλο περνά από έναν φακό αναστρέφεται και αυτό συμβαίνει στο οπτικό μικροσκόπιο τρεις φορές (το είδωλο περνά από τον αντικειμενικό φακό, τον προσοφθάλμιο φακό και από τον αμφιβληστροειδή φακό του ματιού). Σχήμα Α.2: Η αρχή λειτουργίας του μεταλλογραφικού μικροσκοπίου εν προκειμένω με τη δυνατότητα δημιουργίας πολωμένου φωτός. Γίνεται αναφορά λοιπόν για τη μεγεθυντική ισχύ του αντικειμενικού ή του προσοφθάλμιου φακού. Τυπικές μεγεθύνσεις επιτυγχανόμενες από τον αντικειμενικό φακό στα διάφορα μικροσκόπια είναι η ομάδα 5, 10, 20, 50 και 100Χ. Οι τιμές 1 και 200Χ εμφανίζονται κατά περίπτωση. Η τελική επιτυγχανόμενη μεγέθυνση από το μικροσκόπιο είναι το γινόμενο της ισχύος του αντικειμενικού επί την ισχύ του προσοφθάλμιου φακού. Ο συνδυασμός επομένως αντικειμενικού και προσοφθάλμιου φακού επιτυγχάνει κάποια μεγέθυνση η οποία κρίνεται κατά περίπτωση αποδεκτή για την παρατήρηση. 2) Το αριθμητικό άνοιγμα (numerical aperture, ΝΑ) του αντικειμενικού φακού. Πρόκειται για έναν αριθμό ο οποίος εκδηλώνει την ικανότητα συγκέντρωσης 79

80 οπτικών ακτινών από τον αντικειμενικό φακό μετά την ανάκλασή τους στην επιφάνεια του δοκιμίου. Όσο πιο μικρός ο αριθμός τόσο μεγαλύτερη η συγκέντρωση ακτινών από το φακό. Μαθηματικά αποδίδεται από τη σχέση: ΝΑ = μ sine α, όπου μ ο δείκτης διάθλασης του υλικού του φακού (πχ για τον αέρα μ = 1) και α το ήμισυ της γωνίας του ανοίγματος για την πλέον ακραία ακτίνα ανακλώμενου φωτός η οποία συλλαμβάνεται από το φακό. Τα δύο παραδείγματα με αντικειμενικούς φακούς με α=45ο (ΝΑ = 0,70) και α=15ο (ΝΑ = 0,25) φανερώνουν τη φυσική σημασία του αριθμητικού ανοίγματος. Στην πρώτη περίπτωση και οι επτά ανακλώμενες ακτίνες συλλαμβάνονται από το φακό ενώ στη δεύτερη μόνον οι τρεις από αυτές. Αυτό συνεπάγεται μεγαλύτερη ανάλυση λεπτομερειών στην πρώτη περίπτωση. Με παρεμβαλλόμενο μέσο μεταξύ αντικειμενικού φακού και δοκιμίου τον αέρα το μέγιστο επιτυγχανόμενο αριθμητικό άνοιγμα είναι 0,95. Όταν όμως παρεμβληθούν ειδικά έλαια τότε η τιμή μπορεί να αυξηθεί μέχρι το 1,40. 3) Διακριτική ικανότητα (ή αναλυτική ισχύς, resolving power ή resolution) είναι η ικανότητα του αντικειμενικού φακού να διακρίνει χαρακτηριστικά του δοκιμίου πολύ πυκνά τοποθετημένα μεταξύ τους. Η διακριτική ικανότητα του μικροσκοπίου είναι τόσο μεγαλύτερη όσο υψηλότερη είναι η τιμή του αριθμητικού ανοίγματος και εμφανίζεται στη σχέση: d = (0,61 λ) / ΝΑ, όπου d η απόσταση μεταξύ δύο γραμμών (ή σημείων) προς διάκριση και λ το μήκος κύματος του χρησιμοποιούμενου φωτός. Η διακριτική ικανότητα μπορεί να βελτιωθεί ακόμη με χρήση φίλτρων τα οποία διαχωρίζουν τμήμα του οπτικού φάσματος με μικρά (ιώδες/μπλε/πράσινο άκρο) ή μεγάλα (πορτοκαλί/κόκκινο άκρο) λ. Όσο μικρότερο το λ τόσο βέβαια μικρότερο το d. Είναι δυνατή η μεγέθυνση ενός ειδώλου πέρα από τα όρια της διακριτικής ικανότητας του μικροσκοπίου. Στην περίπτωση αυτή δεν βελτιώνεται βέβαια η ανάλυση λεπτομερειών του αντικειμένου. Το εύρος μεγεθύνσεων μέχρι του σημείου βέλτιστης ανάλυσης λεπτομερειών ονομάζεται χρήσιμη μεγέθυνση (usefull magnification). Κάθε μεγέθυνση πέραν αυτής ονομάζεται κενή μεγέθυνση (empty magnification). 4) To βάθος εστίασης (depth of focus / depth of field) του αντικειμενικού φακού είναι η μέγιστη δυνατή μετατόπιση από το μηχανικό σύστημα του μικροσκοπίου του αντικειμενικού φακού κατακόρυφα ως προς το αντικείμενο παρατήρησης χωρίς να παρατηρηθεί μεταβολή στα χαρακτηριστικά εστίασης. Το βάθος εστίασης είναι αντίστροφα ανάλογο του αριθμητικού ανοίγματος σύμφωνα με τη σχέση: Βάθος εστίασης = +/- μ λ / 2 ΝΑ2. Επομένως μικρότερο αριθμητικό άνοιγμα συνεπάγεται μεγαλύτερο βάθος εστίασης. Αυτή θα είναι η επιλογή στην περίπτωση παρατήρησης δοκιμίων με αδρή επιφάνεια. 5) Η απόσταση εργασίας (working distance) είναι η απόσταση μεταξύ του άκρου του αντικειμενικού φακού και της επιφάνειας του δοκιμίου. Όσο το ΝΑ αυξάνεται τόσο η απόσταση εργασίας ελαττώνεται. Έτσι για έναν αντικειμενικό 10x η απόσταση εργασίας θα είναι περίπου 10 mm ενώ για την περίπτωση 100x θα είναι μόλις 0,5 mm. Επομένως ο χειριστής θα πρέπει να είναι πολύ προσεκτικός για να μη καταστραφεί με κτύπημα η επιφάνεια του φακού. Για το λόγο αυτό υπάρχουν σήμερα ειδικά σχεδιασμένοι αντικειμενικού φακού με μεγάλη απόσταση εργασίας. Ο φορέας αντικειμενικών φακών (nosepiece) είναι ένα μηχανικό περιστρεφόμενο σύστημα το οποίο ενσωματώνει περισσότερους από τρεις αντικειμενικούς φακούς με διαφορετικές μεγεθύνσεις. Κατά την περιστροφή του 80

81 συστήματος υπάρχουν θέσεις stop για κάθε αντικειμενικό προκειμένου να εκτελεσθεί παρατήρηση. Οι προσοφθάλμιοι φακοί (eyepiece, ocular) δεν απαιτείται να είναι τόσο προηγμένοι τεχνολογικά όσο οι αντικειμενικοί. Ο κύριος ρόλος τους είναι απλά η μεγέθυνση του παραγόμενου ειδώλου από τον προσοφθάλμιο οπότε το αντικείμενο μεγεθύνεται τελικά δύο φορές και καταλήγει ως εικονικό είδωλο στο γυμνό μάτι. Οι τυπικές μεγεθύνσεις των προσοφθάλμιων φακών είναι 5, 6,3, 8, 10, 12,5, 20, 25 και 30Χ. Η μεγέθυνση αναγράφεται στον κύλινδρο του φακού και όταν δεν αναγράφεται είναι η 10Χ. Η κατασκευή τους είναι απλή συνιστώμενη από δύο υάλινους φακούς ενσωματωμένους σε κύλινδρο. Κοντά στο μάτι είναι ο προσοφθάλμιος φακός (eye lens) και στο εσωτερικό του συστήματος υπάρχει άλλος ένας ο οποίος ονομάζεται φακός πεδίου (field lens). Οι φακοί αυτοί χαρακτηρίζονται ως planoconvex, δηλαδή η μία τους επιφάνεια είναι επίπεδη και η άλλη κυρτή. Στην αγορά σήμερα κυκλοφορούν τρεις τύποι τέτοιων φακών, ο φακός Huygens (ο πλέον διαδεδομένος), ο φακός Ramsden (ορθοσκοπικός τύπος φακού) και ο υπερεπίπεδος φακός (hyperplane ή compensated eyepiece). Το σύστημα φωτισμού του μικροσκοπίου (illumination system) παρέχει το απαιτούμενο για την παρατήρηση φως. Η πηγή φωτός θα πρέπει να παρέχει φως διαυγές (ανοικτό, bright), σταθερό και ευθυγραμμισμένο (συμπαγής δέσμη φωτός μεγάλης έντασης). Ο μεταλλογράφος είναι ένα οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο, το οποίο συνδέεται με Η/Υ και η παρατηρούμενη εικόνα στον προσοφθάλμιο φακό εμφανίζεται ταυτόχρονα και στην οθόνη του Η/Υ. Ο Η/Υ διαθέτει κατάλληλο πρόγραμμα επεξεργασίας εικόνας της μεταλλογραφικής παρατήρησης (Image pro plus). Α.1.3 Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM) [25] είναι μία από τις σύγχρονες και ευέλικτες μεθόδους ανάλυσης της μικροδομής μεγάλου αριθμού υλικών. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης είναι ένα όργανο που λειτουργεί όπως περίπου και ένα οπτικό μικροσκόπιο μόνο που χρησιμοποιεί δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας αντί για φως, για να εξετάσει αντικείμενα σε λεπτομερή κλίμακα. Τα ηλεκτρόνια λόγω της κυματικής τους φύσης μπορούν να εστιαστούν όπως και τα φωτεινά κύματα αλλά σε πολύ μικρότερη επιφάνεια (π.χ. κόκκος υλικού). Η δέσμη ηλεκτρονίων σαρώνει την επιφάνεια του δείγματος με το οποίον αλληλεπιδρά. Από την αλληλεπίδραση αυτή προκύπτουν πληροφορίες σε σχέση με τα άτομα των στοιχείων που απαρτίζουν το εξεταζόμενο υλικό. Από τα άτομα των στοιχείων εκπέμπονται κυρίως δευτερογενή (secondary) και οπισθοσκεδαζόμενα (backscattered) ηλεκτρόνια καθώς και ακτίνες Χ. Η ένταση των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας. Έτσι το SEM δίνει πληροφορίες που αφορούν κυρίως στη μορφολογία και στη σύσταση της επιφανείας. Εφαρμόζοντας ένα σύστημα ανίχνευσης της διασποράς των ενεργειών των ακτινών Χ που δημιουργούνται στην επιφάνεια από την προσπίπτουσα δέσμη, μπορεί να γίνει ημιποσοτική στοιχειακή ανάλυση του υλικού. Επομένως το 81

82 SEM χρησιμοποιείται για την εξέταση μικροδομής στερεών δειγμάτων και για να δίνει εικόνες υψηλού βαθμού διείσδυσης. Η αρχή λειτουργίας του SEM φαίνεται στην Εικόνα Α.3. Eικόνα Α.3: Η αρχή λειτουργίας του SEM/EDS Α.1.4 Ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (TEM) H ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRTEM) [25] αποτελεί μία από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές χαρακτηρισμού των υλικών στη νανοκλίμακα. 82